Примена на ретки земски елементи во нуклеарни материјали

1. Дефиниција на нуклеарни материјали

Во широка смисла, нуклеарен материјал е општ термин за материјали што се користат исклучиво во нуклеарната индустрија и нуклеарните научни истражувања, вклучувајќи нуклеарно гориво и материјали за нуклеарно инженерство, т.е. материјали што не се нуклеарни горива.

Вообичаено наречените нуклеарни материјали главно се однесуваат на материјали што се користат во различни делови од реакторот, познати и како реакторски материјали. Материјалите за реактор вклучуваат нуклеарно гориво кое се подложува на нуклеарна фисија под неутронско бомбардирање, материјали за обложување на компонентите на нуклеарното гориво, течности за ладење, модератори на неутрони (модератори), материјали за контролни прачки кои силно апсорбираат неутрони и рефлектирачки материјали што спречуваат истекување на неутрони надвор од реакторот.

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

Моназитот, исто така наречен фосфоцерит и фосфоцерит, е вообичаен помошен минерал во средните кисели магматски карпи и метаморфните карпи. Моназитот е еден од главните минерали на рудата на ретки земни метали, а постои и во некои седиментни карпи. Кафеаво црвена, жолта, понекогаш кафеаво жолта, со мрсен сјај, целосно расцепување, Мосова тврдост од 5-5,5 и специфична тежина од 4,9-5,5.

Главниот руден минерал на некои наоѓалишта на ретки земји од типот плацер во Кина е моназит, главно лоциран во Тонгченг, Хубеи, Јуејанг, Хунан, Шанграо, Џангси, Менгај, Јунан и округот Хе, Гуангси. Сепак, екстракцијата на ресурси на ретки земји од типот плацер честопати нема економско значење. Осамените камења често содржат рефлексивни ториумски елементи и се исто така главен извор на комерцијален плутониум.

3, Преглед на примената на ретките елементи во нуклеарна фузија и нуклеарна фисија врз основа на панорамска анализа на патенти

Откако клучните зборови за 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 семејства, а 4673 патенти се утврдени по вештачко намалување на бучавата.

Пријавите за патенти за ретки земјени елементи 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 аплицирани во форма на PCT, од кои кинеските барања за патентни технологии се зголемуваат, особено од 2009 година, влегувајќи во фаза на брз раст, а Јапонија, САД и Русија продолжуваат да се распоредуваат во оваа област со 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 ретките земји во нуклеарна фузија и нуклеарна фисија се фокусира на горивни елементи, сцинтилатори, детектори за зрачење, актиниди, плазми, нуклеарни реактори, заштитни материјали, апсорпција на неутрони и други технички насоки.

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

Меѓу нив, реакциите на нуклеарна фузија и нуклеарна фисија во нуклеарните материјали се интензивни, а барањата за материјалите се строги. Во моментов, енергетските реактори се главно реактори за нуклеарна фисија, а фузиските реактори може да се популаризираат во голем обем по 50 години. Примената наретки земјиелементи во структурните материјали на реакторите; Во специфични нуклеарни хемиски полиња, ретките земни елементи главно се користат во контролните прачки; Покрај тоа,скандиумисто така се користи во радиохемијата и нуклеарната индустрија.

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

Во енергетските реактори, почетната преостаната реактивност на новите јадра е генерално релативно висока. Особено во раните фази од првиот циклус на полнење, кога целото нуклеарно гориво во јадрото е ново, преостанатата реактивност е највисока. Во овој момент, потпирањето исклучиво на зголемување на контролните прачки за компензација на преостанатата реактивност би вовело повеќе контролни прачки. Секоја контролна прачка (или сноп прачки) одговара на воведување 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 неекономично, туку не е дозволено ниту да има одредена количина на порозност и структурна цврстина на главата на садот под притисок. Сепак, без зголемување на контролните прачки, потребно 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, генерално може да се користи комбинација од запаливи токсини, контролни прачки и контрола со хемиска компензација.

(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 воедно да спречат влегување на производи од фисија во течноста за ладење.

1) .Реткоземен челик

Нуклеарниот реактор има екстремни физички и хемиски услови, а секоја компонента на реакторот има и високи барања за употребениот специјален челик. Ретките земни елементи имаат посебни ефекти на модификација на челикот, главно вклучувајќи прочистување, метаморфизам, микролегирање и подобрување на отпорноста на корозија. Челиците што содржат ретки земни елементи се исто така широко користени во нуклеарните реактори.

① Ефект на прочистување: Постоечките истражувања покажаа дека ретките земни соединенија имаат добар ефект на прочистување на стопениот челик на високи температури. Ова е затоа што ретките земни соединенија можат да реагираат со штетни елементи како што се кислород и сулфур во стопениот челик за да создадат соединенија на висока температура. Соединенијата на висока температура можат да се таложат и испуштаат во форма на инклузии пред стопениот челик да кондензира, со што се намалува содржината на нечистотии во стопениот челик.

② Метаморфизам: од друга страна, оксидите, сулфидите или оксисулфидите генерирани од реакцијата на ретките земји во стопениот челик со штетни елементи како што се кислород и сулфур можат делумно да се задржат во стопениот челик и да станат инклузии на челик со висока точка на топење. Овие инклузии можат да се користат како хетерогени центри за нуклеација за време на стврднувањето на стопениот челик, со што се подобрува обликот и структурата на челикот.

③ Микролегирање: ако додавањето на ретки земни елементи дополнително се зголеми, преостанатата ретки земни елементи ќе се раствори во челикот откако ќе се заврши горенаведеното прочистување и метаморфизам. Бидејќи атомскиот радиус на ретките земни елементи е поголем од оној на атомот на железо, ретките земни елементи имаат поголема површинска активност. За време на процесот на стврднување на стопениот челик, ретките земни елементи се збогатуваат на границата на зрната, што може подобро да ја намали сегрегацијата на нечистотиите на границата на зрната, со што се зајакнува цврстиот раствор и се игра улогата на микролегирање. Од друга страна, поради карактеристиките на складирање на водород на ретките земни елементи, тие можат да апсорбираат водород во челикот, со што ефикасно се подобрува феноменот на кршливост на водородот кај челикот.

④ Подобрување на отпорноста на корозија: Додавањето на ретки земни елементи може да ја подобри и отпорноста на корозија на челикот. Ова е затоа што ретките земни елементи имаат поголем потенцијал за самокорозија од не'рѓосувачкиот челик. Затоа, додавањето на ретки земни елементи може да го зголеми потенцијалот за самокорозија на не'рѓосувачкиот челик, со што се подобрува стабилноста на челикот во корозивни медиуми.

2). Клучна студија за патент

Клучен патент: патент за пронајдок на челик со ниска активација зајакнат со оксидна дисперзија и негов метод на подготовка од Институтот за метали, Кинеската академија на науките

Апстракт на патент: Обезбеден е челик со ниска активација зајакнат со оксидна дисперзија, погоден за фузиони реактори и негов метод на подготовка, карактеризиран 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 на прав, високоенергетско топчесто глодање на матичната легура иY2O3 наночестичкимешан прав, екстракција со обвивка во прав, обликување со зацврстување, топло валање и термичка обработка.

Метод на додавање на ретки земни елементи: Додадете наноразмерY2O3честички во атомизиран прав од матичната легура за високоенергетско топчесто мелење, при што медиумот за топчесто мелење е Φ6 и Φ10 мешани тврди челични топчиња, со атмосфера за топчесто мелење од 99,99% аргонски гас, сооднос на масата на топчестиот материјал од (8-10): 1, време на топчесто мелење од 40-70 часа и брзина на ротација од 350-500 вртежи во минута.

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. Нивниот радиус е приближно 0,8 × 10-15 m, сличен по големина на протон, сличен на γ зраците се подеднакво ненаелектризирани. Кога неутроните заемодејствуваат со материјата, тие главно заемодејствуваат со нуклеарните сили во јадрото и не заемодејствуваат со електроните во надворешната обвивка.

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

② Клучна студија за патент

Порозните и органско-неорганските хибридни својства наретки земни елементигадолиниумМатеријалите од органски скелети базирани на метал ја зголемуваат својата компатибилност со полиетилен, промовирајќи 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 заштита од неутрони на композитните материјали.

Клучен патент: Институт за материјална наука Хефеј, Кинеска академија на науките, патент за пронајдок на композитен заштитен материјал за органска рамка базиран на гадолиниум и негов метод на подготовка

Апстракт на патент: Заштитниот материјал од метален органски скелет базиран на гадолиниум е композитен материјал формиран со мешањегадолиниумматеријал од метален органски скелет на база на полиетилен во тежински сооднос од 2:1:10 и негово формирање преку испарување на растворувачот или топло пресување. Композитните заштитни материјали од метален органски скелет на база на гадолиниум имаат висока термичка стабилност и способност за термичка неутронска заштита.

Процес на производство: избор на различнигадолиниум металсоли и органски лиганди за подготовка и синтеза на различни видови на материјали од органски скелети на метал базирани на гадолиниум, миење со мали молекули на метанол, етанол или вода со центрифугирање и активирање на висока температура под вакуумски услови за целосно отстранување на преостанатите нереагирани суровини во порите на материјалите од органски скелети на метал базирани на гадолиниум; Органометалниот скелетен материјал базирани на гадолиниум подготвен во чекор се меша со полиетиленски лосион со голема брзина или ултразвучно, или органометалниот скелетен материјал базирани на гадолиниум подготвен во чекор се топи со полиетилен со ултра висока молекуларна тежина на висока температура додека не се измеша целосно; Ставете ја рамномерно измешаната мешавина од органски скелетен материјал базирани на гадолиниум/полиетилен во калапот и добијте го формираниот заштитен материјал од органски скелетен композитен материјал базирани на гадолиниум со сушење за да се поттикне испарување на растворувачот или топло пресување; Подготвениот заштитен материјал од органски скелетен композитен материјал базирани на гадолиниум има значително подобрена отпорност на топлина, механички својства и супериорна способност за заштита од термички неутрони во споредба со чистите полиетиленски материјали.

Режим на додавање на ретки земни елементи: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 или Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 порозен кристален координативен полимер што содржи гадолиниум, кој се добива со координативна полимеризација наGd (NO3)3 • 6H2O или GdCl3 • 6H2Oи органски карбоксилатен лиганд; Големината на органскиот скелетен материјал од метал базиран на гадолиниум е 50nm-2 μ m; Материјалите од органски скелет од метал базирани на гадолиниум имаат различни морфологии, вклучувајќи грануларни, стапчести или иглести форми.

(4) Примена наСкандиумво радиохемија и нуклеарна индустрија

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

Клучен патент: Кинески воздухопловен развој Пекиншки институт за воздухопловни материјали, патент за пронајдок за легура од алуминиум, цинк, магнезиум, скандиум и нејзин метод на подготовка

Апстракт на патент: Алуминиумски цинклегура на магнезиум скандиуми нејзиниот метод на подготовка. Хемискиот состав и тежинскиот процент на легурата од 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 поединечни ≤ 0,05%, други нечистотии вкупно ≤ 0,15%, а преостанатата количина е Al. Микроструктурата на овој материјал од легура од алуминиум цинк-магнезиум-скандиум е униформна и неговите перформанси се стабилни, со крајна цврстина на истегнување од над 400MPa, граница на истегнување од над 350MPa и цврстина на истегнување од над 370MPa за заварени споеви. Материјалните производи може да се користат како структурни елементи во воздухопловството, нуклеарната индустрија, транспортот, спортската опрема, оружјето и други области.

Процес на производство: Чекор 1, состојки според горенаведениот состав на легурата; Чекор 2: Топење во топилница на температура од 700 ℃~780 ℃; Чекор 3: Рафинирање на целосно стопената метална течност и одржување на температурата на металот во опсег од 700 ℃~750 ℃ ​​за време на рафинирањето; Чекор 4: По рафинирањето, треба целосно да се остави да мирува; Чекор 5: По целосното мирување, започнете со леење, одржувајте ја температурата на печката во опсег од 690 ℃~730 ℃, а брзината на леење е 15-200 mm/минута; Чекор 6: Извршете третман со хомогенизација и жарење на легураната плоча во грејната печка, со температура на хомогенизација од 400 ℃~470 ℃; Чекор 7: Излупете ја хомогенизираната плоча и извршете топла екструзија за да се добијат профили со дебелина на ѕидот од над 2,0 mm. За време на процесот на екструдирање, работното парче треба да се одржува на температура од 350 ℃ до 410 ℃; Чекор 8: Стиснете го профилот за третман на гаснење во раствор, со температура на растворот од 460-480 ℃; Чекор 9: По 72 часа гаснење во цврст раствор, рачно присилно стареење. Системот за рачно присилно стареење е: 90~110 ℃/24 часа + 170~180 ℃/5 часа, или 90~110 ℃/24 часа + 145~155 ℃/10 часа.

5, Резиме на истражувањето

Генерално, ретките земни метали се широко користени во нуклеарна фузија и нуклеарна фисија, и имаат многу патентирани распореди во технички насоки како што се возбудување со Х-зраци, формирање на плазма, реактор со лесна вода, трансураниум, уранил и оксиден прав. Што се однесува до материјалите за реактор, ретките земни метали можат да се користат како структурни материјали за реактор и сродни керамички изолациски материјали, контролни материјали и материјали за заштита од неутронско зрачење.