Примена на ретки елементи на Земјата во нуклеарни материјали

1 、 Дефиниција на нуклеарни материјали

Во широка смисла, нуклеарниот материјал е генерален термин за материјали што се користат исклучиво во нуклеарната индустрија и нуклеарните научни истражувања, вклучително и нуклеарно гориво и нуклеарни инженерски материјали, т.е. не нуклеарни материјали за гориво.

Најчесто се однесуваат на нуклеарните материјали главно се однесуваат на материјали што се користат во различни делови на реакторот, познати и како материјали на реакторот. Материјалите на реакторот вклучуваат нуклеарно гориво што се подложува на нуклеарна фисија под бомбардирање на неутрони, материјали за обложување за компоненти на нуклеарно гориво, течности за ладење, неутронски модератори (модератори), контролни материјали за шипки кои силно апсорбираат неутрони и рефлексивни материјали кои спречуваат истекување на неутрон надвор од реакторот.

2 、 CO поврзана врска помеѓу ретки ресурси на Земјата и нуклеарни ресурси

Моназитот, исто така наречен фосфоцерит и фосфоцерит, е вообичаен додаток минерал во средна киселина игнорирана карпа и метаморфна карпа. Моназитот е еден од главните минерали на ретката метална руда, а исто така постои и во некоја седиментна карпа. Браунска црвена, жолта, понекогаш кафеава жолта боја, со мрсен сјај, целосно расцеп, цврстина на Мохс од 5-5,5 и специфична тежина од 4,9-5,5.

Главната руда од минерали од некои ретки наоѓалишта на Земјата во Кина е моназит, главно лоциран во Тонгченг, Хубеи, Јујанг, Хунан, Шанграо, iangиангкси, Менгаи, Јунан и тој округот Гуангкси. Како и да е, екстракцијата на ретки ресурси од видот на плакерот често нема економско значење. Осамените камења често содржат рефлексивни елементи на ториум и исто така се главен извор на комерцијален плутониум.

3 、 Преглед на ретка примена на Земјата во нуклеарна фузија и нуклеарна фисија заснована на панорамска анализа на патенти

Откако клучните зборови на ретките елементи за пребарување на Земјата се целосно проширени, тие се комбинираат со копчињата за експанзија и бројот на класификација на нуклеарната фисија и нуклеарната фузија и се пребаруваат во базата на податоци INCOPT. Датумот на пребарување е 24 август 2020 година.

Rare earth patent applications in the field of nuclear fission or nuclear fusion are distributed in 56 countries/regions , mainly concentrated in Japan, China, the United States, Germany and Russia, etc. A considerable number of patents are applied in the form of PCT, of which Chinese patent technology applications have been increasing, especially since 2009, entering a rapid growth stage, and Japan, the United States and Russia have continued to layout in this field for many years (Figure 1).

Слика 1 Тренд на примена на технолошки патенти поврзани со ретка примена на Земјата во нуклеарна 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 елементите на горивото, сцинтилатори, детектори на зрачење, актиниди, плазми, нуклеарни реактори, заштитни материјали, апсорпција на неутрони и други технички насоки.

4 、 Специфични апликации и клучно истражување за патенти на ретки елементи на Земјата во нуклеарни материјали

Меѓу нив, реакциите на нуклеарна фузија и нуклеарна фисија во нуклеарните материјали се интензивни, а барањата за материјали се строги. Во моментов, реакторите на моќност се главно реактори на нуклеарна фисија, а реакторите за фузија може да бидат популаризирани во голем обем по 50 години. Примена наРетка земјаелементи во структурните материјали на реакторот; Во специфични нуклеарни хемиски полиња, ретките елементи на земјата главно се користат во контролните шипки; Покрај тоа,Скандиумисто така се користи во радиохемијата и нуклеарната индустрија.

（1） како запалив отров или контролна шипка за прилагодување на нивото на неутрон и критична состојба на нуклеарниот реактор

Во реакторите на моќност, почетната преостаната 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 само на зголемување на контролните шипки за да се компензира преостаната реактивност, ќе воведе повеќе контролни шипки. Секоја контролна шипка (или пакет на шипка) одговара на воведување на комплексен 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 јачина. Не само што е неекономично, туку и не е дозволено да има одредена количина на порозност и структурна јачина на главата на садот под притисок. Сепак, без да се зголемат контролните шипки, неопходно е да се зголеми концентрацијата на хемиски компензирачки токсини (како што е борна 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, комбинацијата на запаливи токсини, контролните шипки и контролата на компензацијата на хемикалиите генерално може да се користи за контрола.

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

Реакторите бараат структурни компоненти и елементи на горивото да имаат одредено ниво на јачина, отпорност на корозија и висока термичка стабилност, истовремено спречувајќи ги фисиите да влегуваат во течноста за ладење.

1) .Раре Земјиште челик

Нуклеарниот реактор има екстремни физички и хемиски услови, а секоја компонента на реакторот исто така има високи барања за користен специјален челик. Ретките елементи на Земјата имаат посебни ефекти на модификација врз челикот, главно вклучително и прочистување, метаморфизам, микроелирање и подобрување на отпорност на корозија. Ретки челици што содржат земја се користат и во нуклеарните реактори.

① Ефект на прочистување: Постојното истражување покажа дека ретките Земји имаат добар ефект на прочистување врз стопениот челик на високи температури. Ова е затоа што ретката земја може да реагира со штетни елементи како што се кислород и сулфур во стопениот челик за да генерираат соединенија со висока температура. Соединенијата со висока температура може да се таложат и испуштаат во форма на подмножества пред стопените челични кондензии, а со тоа да се намали содржината на нечистотии во стопениот челик.

② Метаморфизам: Од друга страна, оксидите, сулфидите или оксисулфидите создадени со реакција на ретка земја во стопената челик со штетни елементи како кислород и сулфур можат делумно да се задржат во стопениот челик и да станат подмножества на челик со висока точка на топење. Овие подмножества можат да се користат како хетерогени центри за нуклеација за време на зацврстувањето на стопениот челик, со што се подобрува формата и структурата на челикот.

③ Микроалинг: Ако додавањето на ретка земја е дополнително зголемено, преостанатата ретка земја ќе се раствори во челикот по горенаведеното прочистување и метаморфизмот ќе се заврши. Бидејќи атомскиот радиус на ретка земја е поголем од оној на железниот атом, ретката земја има поголема активност на површината. За време на процесот на зацврстување на стопениот челик, ретките елементи на Земјата се збогатени на границата со жито, што може подобро да ја намали сегрегацијата на елементите на нечистотии на границата со жито, со што се зајакнува цврстиот раствор и ја играат улогата на микроелирање. Од друга страна, поради карактеристиките на водородот за складирање на ретки земјиште, тие можат да го апсорбираат водородот во челик, а со тоа ефикасно подобрување на водородниот феномен на челик.

④ Подобрување на отпорност на корозија: Додавањето на ретки елементи на земјата може да ја подобри и отпорноста на корозијата на челикот. Ова е затоа што ретките Земји имаат поголем потенцијал за само -корозија од не'рѓосувачки челик. Затоа, додавањето на ретки Земји може да го зголеми потенцијалот за само -корозија на не'рѓосувачки челик, а со тоа да ја подобри стабилноста на челикот во корозивните медиуми.

2). Клучна студија за патенти

Клучен патент: Пронајден патент на дисперзија на оксид, зајакнат челик со ниска активирање и метод на подготовка од Институт за метали, Кинеска академија на науките

Patent abstract: Provided is an oxide dispersion strengthened low activation steel suitable for fusion reactors and its preparation method, characterized in that the percentage of alloy elements in the total mass of the low activation steel is: the matrix is ​​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: Fe-CR-WV-ta-mn топење на легури, атомизација на прав, мелење топка со висока енергија на мајката легура и легура на мајката иY2O3 наночестичкиМешан прав, екстракција на обвивка во прав, обликување на зацврстување, топло тркалање и третман на топлина.

Редок метод на додавање на Земјата: Додадете нано -скалаY2O3Честички на родителската легура се атомизираат во прав за мелење топка со висока енергија, при што медиумот за мелење топка е φ 6 и φ 10 мешани тврди челични топки, со атмосфера за мелење топка од 99,99% аргон гас, сооднос на маса на топка материјал од (8-10): 1, време на мелење топка од 40-70 часа, и ротациона брзина од 350-500 R/Min.

3）. Користено да се направат материјали за заштита на зрачење со неутрони

① Принцип на заштита на зрачење на неутрони

Неутроните се компоненти на атомските јадра, со статичка маса од 1,675 × 10-27 кг, што е 1838 пати повеќе од електронската маса. Неговиот радиус е приближно 0,8 × 10-15м, сличен по големина со протонот, сличен на γ зраците се подеднакво неисполнети. 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 технологијата на нуклеарна енергија и нуклеарниот реактор, се повеќе и поголемо внимание се посветува на безбедноста на нуклеарното зрачење и заштитата на нуклеарното зрачење. Со цел да се зајакне заштитата на зрачење за операторите кои долго време се занимаваат со одржување на опрема за зрачење и спасување на несреќи, таа е со големо научно значење и економска вредност за развој на лесни заштитни композити за заштитна облека. Неутронското зрачење е најважниот дел од зрачењето на нуклеарниот реактор. Општо, повеќето од неутроните во директен контакт со човечките суштества се забавени на ниско-енергетски неутрони по ефектот на заштитен неутрон на структурните материјали во нуклеарниот реактор. Ниските енергетски неутрони ќе се судрат со јадрата со помал атомски број еластично и ќе продолжат да бидат модерирани. Умерените термички неутрони ќе бидат апсорбирани со елементи со поголеми пресеци на апсорпција на неутрони, и конечно ќе се постигне неутронско заштитување.

② Клучна студија за патент

Порозните и органски неоргански хибридни својства наредок елемент на земјатаГадолиниумМеталните органски скелетни материјали засновани ја зголемуваат нивната компатибилност со полиетилен, промовирајќи ги синтетизираните композитни материјали за да имаат поголема содржина на гадолиниум и дисперзија на гадолиниум. Високата содржина на гадолиниум и дисперзија директно ќе влијаат на перформансите на неутронските заштити на композитните материјали.

Клучен патент: Институт за материјални науки Хефеи, Кинеска академија на науките, патент за изум на органска рамка заснована на гадолиниум, композитен заштитен материјал и метод на подготовка

Апстракт за патент: Метал органски скелет заснован на гадолиниум, композитен заштитен материјал е композитен материјал формиран со мешањеГадолиниумМетал органски скелет материјал со полиетилен во сооднос на тежина од 2: 1: 10 и го формира преку испарување на растворувач или топло притискање. Метални органски скелети со метал органски скелет композитни материјали имаат голема термичка стабилност и способност за заштита на термички неутрони.

Процес на производство: Избирање на различниГадолиниумски металСоли и органски лиганди за подготовка и синтетизирање на различни видови на метални органски скелети базирани на гадолиниум, миење на нив, миење на нив со мали молекули на метанол, етанол или вода со центрифугирање, и активирање на нив на висока температура под вакуумски услови за целосно отстранување на преостанатите нереактивни суровини во пориите на гадолиниумот; Органометалниот скелет материјал базиран на гадолиниум, подготвен во чекор, се меша со полиетилен лосион со голема брзина, или ултразвучно, или органометалниот скелет заснован на гадолиниум, подготвен во чекор, се топи со ултра-висока молекуларна тежина полиетилен на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура на висока температура, сè додека не се измеша целосно; Ставете ја униформно мешаниот метален органски скелет материјал базиран на гадолиниум/полиетиленска мешавина во калапот и добијте го формираниот материјал со композитен заштитен материјал на гадолиниум базиран на метални органски скелети со сушење за да промовира испарување на растворувачот или топло притискање; Подготвениот материјал за заштита на метални органски скелети засновани на гадолиниум, има значително подобрена отпорност на топлина, механички својства и супериорна способност за заштита на термички неутрони во споредба со чистите полиетиленски материјали.

Редок режим на додавање на Земјата: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 или GD (BDC) 1,5 (H2O) 2 Порозен кристален полимер што содржи гадолиниум, кој се добива со координативна полимеризација на полимеризација на полимеризација на полимеризација на координација на полимеризација на полимеризација на координацијаGD (NO3) 3 • 6H2O или GDCL3 • 6H2Oи органски карбоксилат лиганд; Големината на металниот органски скелет на гадолиниум базиран на метални органски скелети е 50nm-2 μ m ； метални органски скелети засновани на гадолиниум имаат различни морфологии, вклучително и грануларни, форма во форма на шипка или игла.

（4） ПРИМЕНА НАСкандиумВо радиохемијата и нуклеарната индустрија

Скандиумскиот метал има добра термичка стабилност и силни перформанси на апсорпција на флуор, што го прави неопходен материјал во индустријата за атомска енергија.

Клучен патент: Кинески развој на воздушната вселенска институт за аеронаутички материјали, патент за пронајдоци за алуминиумска легура на скандиум на алуминиумски цинк и метод на подготовка

Апстракт за патент: алуминиум цинкЛегура на скандиум со магнезиуми неговиот метод на подготовка. The chemical composition and weight percentage of the aluminum zinc magnesium scandium alloy are: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, impurities Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, other impurities single ≤ 0.05%, other impurities total ≤ 0,15%, а преостанатата сума е Ал. Микроструктурата на овој алуминиумски алуминиумски легуриум на алуминиумска легура е униформа и неговите перформанси се стабилни, со крајна јачина на затегнување од над 400mpa, јачина на принос од над 350mpa и јачина на затегнување од над 370MPa за заварени зглобови. Материјалните производи можат да се користат како структурни елементи во воздушната, нуклеарната индустрија, транспортот, спортските производи, оружјето и другите полиња.

Процес на производство: Чекор 1, состојка според горенаведениот состав на леколи; Чекор 2: Се топи во топената печка 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 рафинирање; Чекор 4: По рафинирање, треба целосно да се дозволи да застане; Чекор 5: По целосно стоење, започнете со кастинг, одржувајте ја температурата на печката во опсег од 690 ℃ 730 ℃, а брзината на леење е 15-200мм/минута; Чекор 6: Изведете третман на хомогенизација на прицврстување на легура во печката за греење, со температура на хомогенизација од 400 ℃ 470 ℃; Чекор 7: Излупете го хомогенизираниот инго и извршете топла истиснување за да произведете профили со дебелина на wallидот од над 2,0 мм. За време на процесот на екструзија, загодата треба да се одржува на температура од 350 ℃ до 410 ℃; Чекор 8: Исцедете го профилот за третман на калење на раствор, со температура на раствор од 460-480 ℃; Чекор 9: После 72 часа со цврсто раствор, рачно присилување на стареењето. Системот за стареење на силата 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 користат во нуклеарна фузија и нуклеарна фисија и имаат многу распоред на патенти во такви технички насоки како што се побудување на Х-зраци, формирање на плазма, реактор на лесна вода, трансураниум, уранил и оксид во прав. Што се однесува до материјалите на реакторот, ретката земја може да се користи како структурни материјали на реакторот и сродни материјали за керамичка изолација, контролни материјали и материјали за заштита на зрачење на неутрони.