Примена на ретки земјени елементи во нуклеарни материјали

1, Дефиниција за нуклеарни материјали

Во широка смисла, нуклеарен материјал е општ термин за материјали кои се користат исклучиво во нуклеарната индустрија и нуклеарните научни истражувања, вклучувајќи нуклеарно гориво и материјали за нуклеарно инженерство, т.е. ненуклеарни горивни материјали.

Најчесто означените нуклеарни материјали главно се однесуваат на материјали што се користат во различни делови на реакторот, исто така познати како материјали на реакторот. Материјалите на реакторите вклучуваат нуклеарно гориво кое се подложува на нуклеарна фисија при неутронско бомбардирање, материјали за обложување на компонентите на нуклеарното гориво, течности за ладење, модератори на неутрони (модератори), материјали за контролни прачки кои силно ги апсорбираат неутроните и рефлектирачки материјали кои спречуваат истекување на неутрони надвор од реакторот.

2, Ко-поврзана врска помеѓу ресурсите на ретки земји и нуклеарните ресурси

Моназитот, исто така наречен фосфоцерит и фосфоцерит, е вообичаен дополнителен минерал во средна киселинска магматска карпа и метаморфна карпа. Моназитот е еден од главните минерали на рудата на ретки метали, а постои и во некои седиментни карпи. Кафеаво-црвена, жолта, понекогаш кафеаво жолта, со мрсен сјај, целосно расцепување, цврстина на Мохс од 5-5,5 и специфична тежина од 4,9-5,5.

Главниот руден минерал на некои наоѓалишта на ретка земја од типот на плацер во Кина е моназит, главно лоциран во Тонгченг, Хубеи, Јујанг, Хунан, Шанграо, Џиангкси, Менгхаи, Јунан и округот Хе, Гуангкси. Сепак, екстракцијата на ретки земјени ресурси од типот на плацер често нема економско значење. Самостојните камења често содржат рефлексивни ториумски елементи и исто така се главен извор на комерцијален плутониум.

3, Преглед на примена на ретки земји во нуклеарна фузија и нуклеарна фисија врз основа на патентна панорамска анализа

Откако клучните зборови на елементите за пребарување на ретки земји се целосно проширени, тие се комбинираат со клучевите за проширување и класификациските броеви на нуклеарна фисија и нуклеарна фузија и се пребаруваат во базата на податоци Incopt. Датумот на пребарување е 24 август 2020 година. 4837 патенти се добиени по едноставно спојување на семејството, а 4673 патенти се утврдени по вештачко намалување на бучавата.

Пријавите за патенти за ретки земји во областа на нуклеарна фисија или нуклеарна фузија се дистрибуирани во 56 земји/региони, главно концентрирани во Јапонија, Кина, САД, Германија и Русија, итн. Значителен број патенти се применуваат во форма на PCT , од кои кинеските апликации за технологија за патенти се зголемуваат, особено од 2009 година, влегувајќи во фаза на брз раст, а Јапонија, Соединетите Американски Држави и Русија продолжија со распоредот во оваа поле за многу години (слика 1).

Слика 1 Тренд на примена на технолошки патенти поврзани со примена на ретки земји во нуклеарна фисија и нуклеарна фузија во земји/региони

Од анализата на техничките теми може да се види дека примената на ретка земја во нуклеарна фузија и нуклеарна фисија се фокусира на горивните елементи, сцинтилаторите, детекторите за радијација, актинидите, плазмата, нуклеарните реактори, заштитните материјали, апсорпцијата на неутрони и други технички насоки.

4, Специфични апликации и клучни патентни истражувања на елементи од ретки земји во нуклеарни материјали

Меѓу нив, нуклеарната фузија и реакциите на нуклеарна фисија кај нуклеарните материјали се интензивни, а барањата за материјали се строги. Во моментов, енергетските реактори се главно реактори за нуклеарна фисија, а реакторите за фузија може да бидат популаризирани во голем обем по 50 години. Примената наретка земјаелементи во структурните материјали на реакторот; Во специфични нуклеарни хемиски полиња, елементите од ретка земја главно се користат во контролните прачки; Покрај тоа,скандиумсе користи и во радиохемијата и нуклеарната индустрија.

(1) Како запалив отров или контролна шипка за прилагодување на нивото на неутроните и критичната состојба на нуклеарниот реактор

Во енергетските реактори, почетната резидуална реактивност на новите јадра е генерално релативно висока. Особено во раните фази на првиот циклус на полнење гориво, кога целото нуклеарно гориво во јадрото е ново, преостанатата реактивност е најголема. Во овој момент, потпирањето исклучиво на зголемување на контролните шипки за да се компензира за преостанатата реактивност ќе воведе повеќе контролни прачки. Секоја контролна шипка (или сноп прачка) одговара на воведувањето на сложен механизам за возење. Од една страна, ова ги зголемува трошоците, а од друга страна, отворањето дупки во главата на садот под притисок може да доведе до намалување на структурната цврстина. Не само што е неекономичен, туку и не е дозволено да има одредена количина на порозност и структурна цврстина на главата на садот под притисок. Сепак, без зголемување на контролните шипки, неопходно е да се зголеми концентрацијата на хемиски компензациони токсини (како што е борната киселина) за да се компензира преостанатата реактивност. Во овој случај, лесно е концентрацијата на бор да го надмине прагот, а температурниот коефициент на модераторот ќе стане позитивен.

За да се избегнат гореспоменатите проблеми, генерално може да се користи комбинација од запаливи токсини, контролни шипки и контрола на компензација на хемикалии за контрола.

(2) Како допант за подобрување на перформансите на структурните материјали на реакторот

Реакторите бараат структурните компоненти и елементите на горивото да имаат одредено ниво на цврстина, отпорност на корозија и висока термичка стабилност, а исто така спречуваат производи од фисија да влезат во течноста за ладење.

1) .челик од ретка земја

Нуклеарниот реактор има екстремни физички и хемиски услови, а секоја компонента на реакторот исто така има високи барања за употребениот специјален челик. Елементите на ретките земји имаат посебни модификациски ефекти врз челикот, главно вклучувајќи прочистување, метаморфизам, микролегирање и подобрување на отпорноста на корозија. Во нуклеарните реактори широко се користат и челици кои содржат ретки земји.

① Ефект на прочистување: Постојните истражувања покажаа дека ретките земји имаат добар ефект на прочистување на стопениот челик на високи температури. Тоа е затоа што ретките земји можат да реагираат со штетни елементи како што се кислородот и сулфурот во стопениот челик за да генерираат соединенија на висока температура. Високотемпературните соединенија може да се таложат и испуштаат во форма на подмножества пред да се кондензира стопениот челик, со што се намалува содржината на нечистотии во стопениот челик.

② Метаморфизам: од друга страна, оксидите, сулфидите или оксисулфидите генерирани од реакцијата на ретка земја во стопениот челик со штетни елементи како што се кислородот и сулфурот може делумно да се задржат во стопениот челик и да станат подмножества на челик со висока точка на топење . Овие подмножества може да се користат како хетерогени центри за јадрење при стврднување на стопениот челик, со што се подобрува обликот и структурата на челикот.

③ Микролегирање: ако дополнително се зголеми додавањето на ретка земја, преостанатата ретка земја ќе се раствори во челикот откако ќе се заврши горенаведеното прочистување и метаморфизмот. Бидејќи атомскиот радиус на ретката земја е поголем од оној на атомот на железо, ретката земја има поголема површинска активност. За време на процесот на зацврстување на стопениот челик, ретките земјени елементи се збогатуваат на границата на зрното, што може подобро да ја намали сегрегацијата на нечистотиските елементи на границата на зрното, со што го зајакнува цврстиот раствор и ја игра улогата на микролегирање. Од друга страна, поради карактеристиките за складирање на водород на ретките земји, тие можат да го апсорбираат водородот во челикот, со што ефикасно го подобруваат феноменот на водородна кршливост на челикот.

④ Подобрување на отпорноста на корозија: Додавањето на елементи од ретка земја, исто така, може да ја подобри отпорноста на корозија на челикот. Ова е затоа што ретките земји имаат поголем потенцијал за самокорозија од нерѓосувачкиот челик. Затоа, додавањето на ретки земји може да го зголеми потенцијалот за самокорозија на нерѓосувачкиот челик, а со тоа да ја подобри стабилноста на челикот во корозивни медиуми.

2). Клучни патенти студија

Клучен патент: пронајдок патент на челик со ниска активација зајакнат со дисперзија на оксид и метод на негова подготовка од Институтот за метали, Кинеска академија на науките

Апстракт на патент: Обезбеден е челик со ниска активација зајакнат со дисперзија на оксид, погоден за реактори со фузија и неговиот метод на подготовка, кој се карактеризира со тоа што процентот на легирани елементи во вкупната маса на челикот со ниска активација е: матрицата е 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% и 0,05% ≤ Y2O3 ≤ 0,5%.

Процес на производство: топење на матична легура Fe-Cr-WV-Ta-Mn, атомизација во прав, високо-енергетско мелење топчиња на матичната легура иY2O3 наночестичкамешан прашок, екстракција со обвивка во прав, обликување за зацврстување, топло валање и термичка обработка.

Метод на додавање на ретки земји: Додадете наноскалаY2O3честички од основната легура атомизиран прашок за високо-енергетско мелење со топчиња, при што медиумот за мелење со топчиња е Φ 6 и Φ 10 мешани тврди челични топчиња, со атмосфера за мелење топчиња од 99,99% гас аргон, сооднос на масата на топчестиот материјал од (8- 10): 1, време на мелење топчиња од 40-70 часа и брзина на вртење од 350-500 р/мин.

3）. Се користи за производство на материјали за заштита од неутронско зрачење

① Принцип на заштита од неутронско зрачење

Неутроните се компоненти на атомските јадра, со статичка маса од 1,675 × 10-27 kg, што е 1838 пати поголема од електронската маса. Неговиот радиус е приближно 0,8 × 10-15 m, сличен по големина на протон, сличен на γ Зраците се подеднакво ненаполнети. Кога неутроните комуницираат со материјата, тие главно комуницираат со нуклеарните сили во јадрото и не комуницираат со електроните во надворешната обвивка.

Со брзиот развој на нуклеарната енергија и технологијата на нуклеарни реактори, сè повеќе внимание се посветува на безбедноста од нуклеарното зрачење и заштитата од нуклеарно зрачење. Со цел да се зајакне радијационата заштита за операторите кои долго време се занимаваат со одржување на опрема за радијација и спасување од несреќи, од големо научно значење и економска вредност е да се развијат лесни заштитни композити за заштитна облека. Неутронското зрачење е најважниот дел од зрачењето на нуклеарниот реактор. Општо земено, повеќето од неутроните во директен контакт со луѓето се успорени до неутрони со ниска енергија по ефектот на неутронска заштита на структурните материјали во нуклеарниот реактор. Неутроните со мала енергија ќе се судрат со јадра со помал атомски број еластично и ќе продолжат да бидат умерени. Умерените термички неутрони ќе бидат апсорбирани од елементи со поголеми пресеци на апсорпција на неутрони и конечно ќе се постигне неутронска заштита.

② Студија за клучни патенти

Порозните и органско-неорганските хибридни својства наелемент од ретка земјагадолиниумврз основа на метални органски скелетни материјали ја зголемуваат нивната компатибилност со полиетилен, промовирајќи ги синтетизираните композитни материјали да имаат поголема содржина на гадолиниум и дисперзија на гадолиниум. Високата содржина на гадолиниум и дисперзија директно ќе влијаат на перформансите на неутронската заштита на композитните материјали.

Клучен патент: Хефеи Институт за наука за материјали, Кинеска академија на науките, патент за пронајдок на композитен заштитен материјал од органска рамка базирана на гадолиниум и неговиот метод на подготовка

Апстракт на патент: Композитен заштитен материјал од метален органски скелет базиран на гадолиниум е композитен материјал формиран со мешањегадолиниумврз основа на метален органски скелет материјал со полиетилен во тежински сооднос 2:1:10 и неговото формирање преку испарување на растворувач или топло пресување. Композитните материјали за заштита од метален органски скелет базиран на гадолиниум имаат висока термичка стабилност и способност за термичка заштита на неутрони.

Процес на производство: избор на различнигадолиниум металсоли и органски лиганди за подготовка и синтеза на различни видови на метални органски скелетни материјали базирани на гадолиниум, миење со мали молекули на метанол, етанол или вода со центрифугирање и нивно активирање на висока температура под вакуумски услови за целосно отстранување на преостанатите нереагирани суровини во порите на метални органски скелетни материјали базирани на гадолиниум; Материјалот од органометален скелет базиран на гадолиниум подготвен во чекор се меша со полиетиленски лосион со голема брзина или ултразвучно, или органометалниот скелетен материјал на база на гадолиниум подготвен во чекор се топи со полиетилен со ултра висока молекуларна тежина на висока температура додека целосно не се измеша; Ставете ја рамномерно измешаниот метален органски скелетен материјал/мешавина од полиетилен базиран на гадолиниум во калапот и добијте го формираниот заштитен материјал од метален органски скелет базиран на гадолиниум со сушење за да се промовира испарувањето на растворувачот или топлото пресување; Подготвениот гадолиниумски композитен материјал за заштита од органски скелет има значително подобрена отпорност на топлина, механички својства и супериорна термичка неутронска заштита во споредба со чистите полиетиленски материјали.

Режим на додавање ретка земја: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 или Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 порозен кристален координативен полимер кој содржи гадолиниум, кој се добива со координативна полимеризација наGd (NO3) 3 • 6H2O или GdCl3 • 6H2Oи органски карбоксилат лиганд; Големината на металниот органски скелетен материјал базиран на гадолиниум е 50 nm-2 μm; Материјалите од метални органски скелетни базирани на гадолиниум имаат различни морфологии, вклучувајќи зрнести, шипки или иглички форми.

(4) Примена наСкандиумво Радиохемија и нуклеарна индустрија

Металот скандиум има добра термичка стабилност и силни перформанси на апсорпција на флуор, што го прави незаменлив материјал во индустријата за атомска енергија.

Клучен патент: Кинески Воздухопловен развој Пекинг Институт за воздухопловни материјали, патент за изум за легура на алуминиум цинк магнезиум скандиум и нејзиниот метод на подготовка

Апстракт на патент: Алуминиумски цинклегура на магнезиум скандиуми начинот на нејзина подготовка. Хемискиот состав и тежинскиот процент на легурата на алуминиум цинк магнезиум скандиум се: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, нечистотии Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, други нечистотии единечни ≤ 0,05%, други нечистотии вкупно ≤ 0,15%, а преостанатата количина е Ал. Микроструктурата на овој материјал од легура на алуминиум цинк магнезиум скандиум е униформа и неговите перформанси се стабилни, со крајна цврстина на истегнување од над 400 MPa, цврстина на истегнување од над 350 MPa и цврстина на истегнување од над 370 MPa за заварени споеви. Материјалните производи може да се користат како структурни елементи во воздушната, нуклеарната индустрија, транспортот, спортските производи, оружјето и други области.

Процес на производство: Чекор 1, состојка според горенаведениот состав на легура; Чекор 2: Се топи во печката за топење на температура од 700 ℃~780 ℃; Чекор 3: Рафинирајте ја целосно стопената метална течност и одржувајте ја металната температура во опсег од 700 ℃~750 ℃ ​​за време на рафинирањето; Чекор 4: По рафинирањето, треба целосно да се остави да стои во место; Чекор 5: По целосно стоење, започнете со леење, одржувајте ја температурата на печката во опсег од 690 ℃ ~ 730 ℃, а брзината на леење е 15-200 mm / минута; Чекор 6: Изведете третман со жарење за хомогенизација на легурата ингот во грејната печка, со температура на хомогенизација од 400 ℃~470 ℃; Чекор 7: Излупете го хомогенизираниот ингот и изведете топло истиснување за да добиете профили со дебелина на ѕидот над 2,0 mm. За време на процесот на истиснување, палката треба да се одржува на температура од 350 ℃ до 410 ℃; Чекор 8: Стиснете го профилот за третман на гаснење раствор, со температура на растворот од 460-480 ℃; Чекор 9: По 72 часа гаснење со цврст раствор, рачно принудете го стареењето. Системот за рачно стареење на сила е: 90~110 ℃/24 часа+170~180 ℃/5 часа или 90~110 ℃/24 часа+145~155 ℃/10 часа.

5, Резиме на истражување

Во целина, ретките земји се широко користени во нуклеарната фузија и нуклеарната фисија и имаат многу распореди на патенти во такви технички насоки како возбудување на рендген, формирање на плазма, реактор за лесна вода, трансураниум, уранил и оксид во прав. Што се однесува до материјалите на реакторите, ретките земји може да се користат како структурни материјали на реакторот и сродни керамички изолациски материјали, контролни материјали и материјали за заштита од неутронско зрачење.