Anvendelse af sjældne jordarters grundstoffer i nukleare materialer

1、 Definition af nukleare materialer

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

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

2、 Co-associeret forhold mellem sjældne jordarters ressourcer og nukleare ressourcer

Monazit, også kaldet phosphocerit og phosphocerite, er et almindeligt hjælpemineral i mellemsyre magmatisk bjergart og metamorf bjergart. Monazit er et af de vigtigste mineraler i sjældne jordarters metalmalm og findes også i nogle sedimentære bjergarter. Brunlig rød, gul, nogle gange brunlig gul, med en fedtet glans, fuldstændig spaltning, Mohs hårdhed på 5-5,5 og vægtfylde på 4,9-5,5.

Det vigtigste malmmineral i nogle sjældne jordarters aflejringer af placertype i Kina er monazit, hovedsageligt beliggende i Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan og He County, Guangxi. Udvindingen af ​​sjældne jordarters ressourcer af placer-typen har dog ofte ikke økonomisk betydning. Solitære sten indeholder ofte refleksive thoriumelementer og er også hovedkilden til kommercielt plutonium.

3、 Oversigt over sjældne jordarters anvendelse i nuklear fusion og nuklear fission baseret på patent panoramaanalyse

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

Ansøgninger om sjældne jordarters patenter 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 ansøges i form af PCT , hvoraf kinesiske patentteknologiansøgninger har været stigende, især siden 2009, og er på vej ind i en hurtig vækstfase, og Japan, USA og Rusland har fortsat med layout på dette område i mange år (Figur 1).

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

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

4、 Specifikke applikationer og nøglepatentforskning af sjældne jordarters grundstoffer i nukleare materialer

Blandt dem er nuklear fusion og nuklear fissionsreaktioner i nukleare materialer intense, og kravene til materialer er strenge. På nuværende tidspunkt er kraftreaktorer hovedsageligt nukleare fissionsreaktorer, og fusionsreaktorer kan blive populært i stor skala efter 50 år. Anvendelsen afsjældne jordarterelementer i reaktorstrukturmaterialer; Inden for specifikke nuklearkemiske områder bruges sjældne jordarters grundstoffer hovedsageligt i kontrolstænger; Desudenskandiumer også blevet brugt i radiokemi og nuklear industri.

（1） Som brændbar gift eller kontrolstang til justering af neutronniveau og kritisk tilstand af atomreaktoren

I kraftreaktorer er den initiale restreaktivitet af nye kerner generelt relativt høj. Især i de tidlige stadier af den første tankningscyklus, hvor alt nukleart brændsel i kernen er nyt, er den resterende reaktivitet den højeste. På dette tidspunkt vil en udelukkende stole på stigende kontrolstænger for at kompensere for resterende reaktivitet introducere flere kontrolstænger. Hver kontrolstang (eller stangbundt) svarer til indførelsen af ​​en kompleks drivmekanisme. På den ene side øger dette omkostningerne, og på den anden side kan åbning af huller i trykbeholderens hoved føre til et fald i strukturel styrke. Ikke alene er det uøkonomisk, men det er heller ikke tilladt at have en vis porøsitet og strukturel styrke på trykbeholderens hoved. Men uden at øge kontrolstængerne er det 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 moderatorens temperaturkoefficient bliver positiv.

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

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

Reaktorer kræver, at strukturelle komponenter og brændselselementer har et vist niveau af styrke, korrosionsbestandighed og høj termisk stabilitet, samtidig med at det forhindrer fissionsprodukter i at trænge ind i kølevæsken.

1) .Sjælden jordart stål

Atomreaktoren har ekstreme fysiske og kemiske forhold, og hver komponent i reaktoren stiller også høje krav til det anvendte specialstål. Sjældne jordarters elementer har særlige modifikationseffekter på stål, hovedsageligt inklusive rensning, metamorfose, mikrolegering og forbedring af korrosionsbestandighed. Stål, der indeholder sjældne jordarter, er også meget brugt i atomreaktorer.

① Rensningseffekt: Eksisterende forskning har vist, at sjældne jordarter har en god renseeffekt på smeltet stål ved høje temperaturer. Dette skyldes, at sjældne jordarter kan reagere med skadelige grundstoffer som ilt og svovl i det smeltede stål for at generere 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 de oxider, sulfider eller oxysulfider, der dannes ved reaktionen af ​​sjældne jordarter i det smeltede stål med skadelige elementer såsom oxygen og svovl, delvist tilbageholdes i det smeltede stål og blive indeslutninger af stål med højt smeltepunkt . Disse indeslutninger kan bruges som heterogene kernedannelsescentre under størkning 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 at ovenstående oprensning og metamorfose er afsluttet. Da sjældne jordarters atomradius er større end jernatomets, har sjældne jordarter højere overfladeaktivitet. Under størkningsprocessen af ​​smeltet stål beriges sjældne jordarters elementer ved korngrænsen, hvilket bedre kan reducere adskillelsen af ​​urenhedselementer ved korngrænsen, hvilket styrker den faste opløsning og spiller rollen som mikrolegering. På den anden side kan de på grund af sjældne jordarters brintlagringsegenskaber absorbere brint i stål og derved effektivt forbedre brintskørhedsfænomenet i stål.

④ Forbedring af korrosionsbestandighed: Tilføjelsen af ​​sjældne jordarters elementer kan også forbedre korrosionsbestandigheden af ​​stål. Dette skyldes, at sjældne jordarter har et højere selvkorrosionspotentiale end rustfrit stål. Derfor kan tilføjelsen af ​​sjældne jordarter øge selvkorrosionspotentialet i rustfrit stål og derved forbedre stabiliteten af ​​stål i korrosive medier.

2). Nøglepatentundersøgelse

Nøglepatent: opfindelsespatent på et oxiddispersionsstyrket lavaktiveringsstål og dets fremstillingsmetode af Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences

Patentabstrakt: Der medfølger et oxiddispersionsforstærket lavaktiveringsstål, der er egnet til fusionsreaktorer og dets fremstillingsmetode, kendetegnet ved, at procentdelen af ​​legeringselementer i den samlede masse af det lavaktiverende stål 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 smeltning af moderlegeringer, pulverforstøvning, højenergikuglefræsning af moderlegeringen ogY2O3 nanopartikelblandet pulver, pulveromsluttende ekstraktion, størkningsstøbning, varmvalsning og varmebehandling.

Metode til tilsætning af sjældne jordarter: Tilføj nanoskalaY2O3partikler til det forstøvede pulver af moderlegeringen til højenergi-kuglefræsning, hvor kuglefræsemediet er Φ 6 og Φ 10 blandede hårde stålkugler, med en kuglefræsningsatmosfære på 99,99 % argongas, et masseforhold for kuglemateriale på (8- 10): 1, en kuglefræsningstid på 40-70 timer og en rotationshastighed på 350-500 r/min.

3）.Bruges til fremstilling af neutronstrålingsbeskyttelsesmaterialer

① Princippet om neutronstrålingsbeskyttelse

Neutroner er komponenter i atomkerner med en statisk masse på 1,675 × 10-27 kg, hvilket er 1838 gange den elektroniske masse. Dens radius er cirka 0,8 × 10-15m, svarende i størrelse til en proton, svarende til γ Stråler er lige så uladede. Når neutroner interagerer med stof, interagerer de hovedsageligt med kernekræfterne 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 strålebeskyttelsen for operatører, der har beskæftiget sig med vedligeholdelse af stråleudstyr og ulykkesredning i lang tid, er det af stor videnskabelig betydning og økonomisk værdi at udvikle letvægts afskærmningskompositter 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 den neutronafskærmende effekt af de strukturelle materialer inde i atomreaktoren. Lavenergineutroner vil kollidere med kerner med lavere atomnummer elastisk og fortsætte med at blive modereret. De modererede termiske neutroner vil blive absorberet af elementer med større neutronabsorptionstværsnit, og endelig opnås neutronafskærmning.

② Nøglepatentundersøgelse

De porøse og organisk-uorganiske hybridegenskaber afsjældne jordarters grundstofgadoliniumbaserede metalorganiske skeletmaterialer øger deres kompatibilitet med polyethylen, hvilket fremmer de syntetiserede kompositmaterialer til at have højere gadoliniumindhold og gadoliniumdispersion. Det høje gadoliniumindhold og dispersion vil direkte påvirke kompositmaterialernes neutronafskærmningsydelse.

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

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

Fremstillingsproces: at vælge anderledesgadolinium metalsalte og organiske ligander til at fremstille og syntetisere forskellige typer gadolinium-baserede 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 uomsatte råmaterialer i porerne i de gadoliniumbaserede metalorganiske skeletmaterialer; Det gadoliniumbaserede organometalliske skeletmateriale fremstillet i trin omrøres med polyethylenlotion ved høj hastighed eller ultralyd, eller det gadoliniumbaserede organometalliske skeletmateriale fremstillet i trin smelteblandes med polyethylen med ultrahøj molekylvægt ved høj temperatur, indtil det er fuldt blandet; Anbring det ensartet blandede gadoliniumbaserede metalorganiske skeletmateriale/polyethylenblanding i formen, og opnå det dannede gadoliniumbaserede metalorganiske skeletkompositafskærmningsmateriale ved tørring for at fremme opløsningsmiddelfordampning eller varmpresning; Det forberedte gadoliniumbaserede metalorganiske skeletkompositafskærmningsmateriale har væsentligt forbedret varmebestandighed, mekaniske egenskaber og overlegen termisk neutronafskærmningsevne sammenlignet med rene polyethylenmaterialer.

Tilsætning af 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 50nm-2 μm; Gadoliniumbaserede metalorganiske skeletmaterialer har forskellige morfologier, herunder granulære, stavformede eller nåleformede former.

（4） Anvendelse afScandiumi radiokemi og nuklear industri

Scandium metal 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 aluminium zink magnesium scandium legering og dens fremstillingsmetode

Patentabstrakt: En zink af aluminiummagnesium scandium legeringog dens fremstillingsmetode. Den kemiske sammensætning og vægtprocent af aluminium-zink-magnesium scandium-legeringen 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 %, andet urenheder enkelt ≤ 0,05 %, andre urenheder i alt ≤ 0,15 %, og den resterende mængde er Al. Mikrostrukturen af ​​dette aluminium-zink-magnesium scandium-legeringsmateriale 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 for svejsede samlinger. Materialeprodukterne kan bruges som strukturelle elementer inden for rumfart, nuklear industri, transport, sportsartikler, våben og andre områder.

Fremstillingsproces: Trin 1, ingrediens i henhold til ovenstående legeringssammensætning; Trin 2: Smelt i smelteovnen ved en temperatur på 700 ℃ ~ 780 ℃; Trin 3: Forfin den fuldstændigt smeltede metalvæske, og hold metaltemperaturen inden for området 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​under raffinering; Trin 4: Efter raffinering skal den have lov til at stå helt stille; Trin 5: Efter at have stået helt, start støbningen, hold ovntemperaturen inden for området 690 ℃ ~ 730 ℃, og støbehastigheden er 15-200 mm/minut; Trin 6: Udfør homogeniseringsudglødningsbehandling på legeringsbarren i varmeovnen med en homogeniseringstemperatur på 400 ℃ ~ 470 ℃; Trin 7: Skræl den homogeniserede barre og udfør varmekstrudering for at fremstille profiler med en vægtykkelse på over 2,0 mm. Under ekstruderingsprocessen skal billetten holdes ved en temperatur på 350 ℃ til 410 ℃; Trin 8: Klem profilen til opløsningsbehandling med en opløsningstemperatur på 460-480 ℃; Trin 9: Efter 72 timers standsning af fast opløsning, fremtvinges ældning manuelt. Det manuelle kraftældningssystem er: 90~110 ℃/24 timer+170~180 ℃/5 timer eller 90~110 ℃/24 timer+145~155 ℃/10 timer.

5、 Forskningsresumé

I det hele taget er sjældne jordarter meget brugt i nuklear fusion og nuklear fission, og har mange patentlayouts i sådanne tekniske retninger som røntgen-excitation, plasmadannelse, letvandsreaktor, transuranium, uranyl og oxidpulver. Hvad angår reaktormaterialer, kan sjældne jordarter bruges som reaktorstrukturmaterialer og relaterede keramiske isoleringsmaterialer, kontrolmaterialer og neutronstrålingsbeskyttelsesmaterialer.