Toepassing van zeldzame aardelementen in kernmaterialen

1. Definitie van nucleaire materialen

In brede zin is nucleair materiaal de algemene term voor materialen die uitsluitend worden gebruikt in de nucleaire industrie en nucleair wetenschappelijk onderzoek, met inbegrip van nucleaire brandstof en nucleaire technische materialen, dwz niet-nucleaire brandstofmaterialen.

Met de algemeen genoemde nucleaire materialen worden voornamelijk materialen bedoeld die in verschillende delen van de reactor worden gebruikt, ook wel reactormaterialen genoemd. Reactormaterialen omvatten splijtstof die kernsplijting ondergaat onder neutronenbombardement, bekledingsmaterialen voor splijtstofcomponenten, koelvloeistoffen, neutronenmoderators (moderators), regelstaafmaterialen die neutronen sterk absorberen, en reflecterende materialen die neutronenlekkage buiten de reactor voorkomen.

2. Co-geassocieerde relatie tussen zeldzame aardmetalen en nucleaire hulpbronnen

Monaziet, ook wel fosfoceriet en fosfoceriet genoemd, is een veel voorkomend hulpmineraal in tussenliggend zuur stollingsgesteente en metamorf gesteente. Monaziet is een van de belangrijkste mineralen in ertsen van zeldzame aardmetalen en komt ook voor in sedimentair gesteente. Bruinachtig rood, geel, soms bruingeel, met een vettige glans, volledig splijten, Mohs-hardheid van 5-5,5 en soortelijk gewicht van 4,9-5,5.

Het belangrijkste ertsmineraal van sommige zeldzame aardmetalen van het placer-type in China is monaziet, voornamelijk gelegen in Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan en He County, Guangxi. De winning van zeldzame aardmetalen van het placer-type heeft echter vaak geen economische betekenis. Solitaire stenen bevatten vaak reflexieve thoriumelementen en zijn ook de belangrijkste bron van commercieel plutonium.

3. Overzicht van de toepassing van zeldzame aardmetalen bij kernfusie en kernsplijting, gebaseerd op panoramische patentanalyse

Nadat de trefwoorden van zoekelementen voor zeldzame aardmetalen volledig zijn uitgebreid, worden ze gecombineerd met de uitbreidingssleutels en classificatienummers van kernsplijting en kernfusie, en doorzocht in de Incopt-database. De zoekdatum is 24 augustus 2020. Er werden 4837 patenten verkregen na een eenvoudige familiefusie, en 4673 patenten werden bepaald na kunstmatige geluidsreductie.

Patentaanvragen voor zeldzame aardmetalen op het gebied van kernsplijting of kernfusie worden verspreid in 56 landen/regio's, voornamelijk geconcentreerd in Japan, China, de Verenigde Staten, Duitsland en Rusland, enz. Een aanzienlijk aantal patenten wordt aangevraagd in de vorm van PCT , waarvan de aanvragen voor Chinese patenttechnologie zijn toegenomen, vooral sinds 2009, en een snelle groeifase zijn ingegaan, en Japan, de Verenigde Staten en Rusland zijn al vele jaren op dit gebied bezig met hun ontwikkeling (figuur 1).

Figuur 1 Toepassingstrend van technologieoctrooien gerelateerd aan de toepassing van zeldzame aardmetalen bij kernsplijting en kernfusie in landen/regio’s

Uit de analyse van technische thema's blijkt dat de toepassing van zeldzame aardmetalen bij kernfusie en kernsplijting zich richt op splijtstofelementen, scintillatoren, stralingsdetectoren, actiniden, plasma's, kernreactoren, afschermingsmaterialen, neutronenabsorptie en andere technische richtingen.

4. Specifieke toepassingen en belangrijk patentonderzoek van zeldzame aardelementen in nucleaire materialen

Onder hen zijn kernfusie- en kernsplijtingsreacties in nucleair materiaal intens en zijn de eisen voor materialen streng. Momenteel zijn kernreactoren voornamelijk kernsplijtingsreactoren, en fusiereactoren kunnen over vijftig jaar op grote schaal worden gepopulariseerd. De toepassing vanzeldzame aardeelementen in structurele materialen van reactoren; In specifieke nucleair-chemische velden worden zeldzame aardmetalen voornamelijk gebruikt in regelstaven; In aanvulling,scandiumis ook gebruikt in de radiochemie en de nucleaire industrie.

(1) Als brandbaar gif of regelstaaf om het neutronenniveau en de kritieke toestand van de kernreactor aan te passen

In krachtreactoren is de initiële restreactiviteit van nieuwe kernen over het algemeen relatief hoog. Vooral in de vroege stadia van de eerste tankcyclus, wanneer alle splijtstof in de kern nieuw is, is de resterende reactiviteit het hoogst. Op dit punt zou het uitsluitend vertrouwen op het vergroten van het aantal regelstaven ter compensatie van de resterende reactiviteit meer regelstaven introduceren. Elke regelstaaf (of staafbundel) komt overeen met de introductie van een complex aandrijfmechanisme. Enerzijds verhoogt dit de kosten, en anderzijds kan het openen van gaten in de kop van het drukvat leiden tot een afname van de structurele sterkte. Het is niet alleen oneconomisch, maar het is ook niet toegestaan ​​dat er een bepaalde mate van porositeit en structurele sterkte op de kop van het drukvat aanwezig is. Zonder de controlestaven te vergroten, is het echter noodzakelijk om de concentratie van chemisch compenserende toxines (zoals boorzuur) te verhogen om de resterende reactiviteit te compenseren. In dit geval kan de boorconcentratie gemakkelijk de drempel overschrijden en zal de temperatuurcoëfficiënt van de moderator positief worden.

Om de bovengenoemde problemen te vermijden, kan voor de controle over het algemeen een combinatie van brandbare gifstoffen, controlestaven en chemische compensatiecontrole worden gebruikt.

（2） Als doteermiddel om de prestaties van structurele reactormaterialen te verbeteren

Reactoren vereisen dat structurele componenten en brandstofelementen een bepaald niveau van sterkte, corrosieweerstand en hoge thermische stabiliteit hebben, terwijl ze ook voorkomen dat splijtingsproducten in het koelmiddel terechtkomen.

1) Zeldzaam aardestaal

De kernreactor kent extreme fysische en chemische omstandigheden en elk onderdeel van de reactor stelt bovendien hoge eisen aan het gebruikte speciale staal. Zeldzame aardelementen hebben speciale modificatie-effecten op staal, waaronder voornamelijk zuivering, metamorfisme, microlegeringen en verbetering van de corrosieweerstand. Zeldzame aardmetalen bevattende staalsoorten worden ook veel gebruikt in kernreactoren.

① Zuiveringseffect: Bestaand onderzoek heeft aangetoond dat zeldzame aardmetalen bij hoge temperaturen een goed zuiveringseffect hebben op gesmolten staal. Dit komt omdat zeldzame aardmetalen kunnen reageren met schadelijke elementen zoals zuurstof en zwavel in het gesmolten staal, waardoor verbindingen met hoge temperaturen ontstaan. De hogetemperatuurverbindingen kunnen worden neergeslagen en afgevoerd in de vorm van insluitsels voordat het gesmolten staal condenseert, waardoor het gehalte aan onzuiverheden in het gesmolten staal wordt verminderd.

② Metamorfisme: aan de andere kant kunnen de oxiden, sulfiden of oxysulfiden die worden gegenereerd door de reactie van zeldzame aarde in het gesmolten staal met schadelijke elementen zoals zuurstof en zwavel gedeeltelijk worden vastgehouden in het gesmolten staal en insluitsels worden van staal met een hoog smeltpunt . Deze insluitsels kunnen worden gebruikt als heterogene kernvormingscentra tijdens het stollen van het gesmolten staal, waardoor de vorm en structuur van staal worden verbeterd.

③ Microlegering: als de toevoeging van zeldzame aardmetalen verder wordt verhoogd, zal de resterende zeldzame aardmetalen in het staal worden opgelost nadat de bovenstaande zuivering en metamorfose zijn voltooid. Omdat de atoomstraal van zeldzame aarde groter is dan die van ijzeratoom, heeft zeldzame aarde een hogere oppervlakteactiviteit. Tijdens het stollingsproces van gesmolten staal worden zeldzame aardelementen verrijkt aan de korrelgrens, wat de segregatie van onzuiverheidselementen aan de korrelgrens beter kan verminderen, waardoor de vaste oplossing wordt versterkt en de rol van microlegering wordt gespeeld. Aan de andere kant kunnen ze, vanwege de waterstofopslageigenschappen van zeldzame aardmetalen, waterstof in staal absorberen, waardoor het fenomeen van waterstofverbrossing van staal effectief wordt verbeterd.

④ Verbetering van de corrosieweerstand: De toevoeging van zeldzame aardelementen kan ook de corrosieweerstand van staal verbeteren. Dit komt omdat zeldzame aardmetalen een hoger zelfcorrosiepotentieel hebben dan roestvrij staal. Daarom kan de toevoeging van zeldzame aardmetalen het zelfcorrosiepotentieel van roestvrij staal vergroten, waardoor de stabiliteit van staal in corrosieve media wordt verbeterd.

2). Belangrijke patentstudie

Belangrijk patent: uitvindingsoctrooi van een met oxidedispersie versterkt staal met lage activering en de bereidingsmethode ervan door Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences

Patentsamenvatting: Er wordt een met oxidedispersie versterkt staal met lage activering geleverd dat geschikt is voor fusiereactoren en de bereidingsmethode ervan, met het kenmerk dat het percentage legeringselementen in de totale massa van het staal met lage activering is: de 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% en 0,05% ≤ Y2O3 ≤ 0,5%.

Productieproces: Fe-Cr-WV-Ta-Mn-moederlegering smelten, poederverneveling, hoogenergetische kogelmalen van de moederlegering enY2O3 nanodeeltjegemengd poeder, poederomhullende extractie, stollingsgieten, warmwalsen en warmtebehandeling.

Methode voor het toevoegen van zeldzame aardmetalen: voeg nanoschaal toeJ2O3deeltjes aan het vernevelde poeder van de moederlegering voor hoogenergetisch kogelmalen, waarbij het kogelmaalmedium Φ 6 en Φ 10 gemengde hardstalen kogels is, met een kogelmaalatmosfeer van 99,99% argongas, een kogelmateriaalmassaverhouding van (8- 10): 1, een kogelmaaltijd van 40-70 uur en een rotatiesnelheid van 350-500 tpm.

3). Gebruikt om materialen voor bescherming tegen neutronenstraling te maken

① Principe van bescherming tegen neutronenstraling

Neutronen zijn componenten van atoomkernen, met een statische massa van 1,675 x 10-27 kg, wat 1838 maal de elektronische massa is. De straal is ongeveer 0,8 x 10-15 m, vergelijkbaar in grootte met een proton, vergelijkbaar met γ-stralen zijn even ongeladen. Wanneer neutronen interageren met materie, interageren ze voornamelijk met de nucleaire krachten in de kern, en niet met de elektronen in de buitenste schil.

Met de snelle ontwikkeling van kernenergie en kernreactortechnologie is er steeds meer aandacht besteed aan nucleaire stralingsveiligheid en nucleaire stralingsbescherming. Om de stralingsbescherming te versterken voor operators die zich al lange tijd bezighouden met het onderhoud van stralingsapparatuur en het redden van ongevallen, is het van grote wetenschappelijke betekenis en economische waarde om lichtgewicht afschermende composieten voor beschermende kleding te ontwikkelen. Neutronenstraling is het belangrijkste onderdeel van de straling van kernreactoren. Over het algemeen zijn de meeste neutronen die in direct contact staan ​​met mensen vertraagd tot neutronen met lage energie na het neutronenafschermende effect van de structurele materialen in de kernreactor. Neutronen met lage energie zullen elastisch in botsing komen met kernen met een lager atoomnummer en blijven gematigd. De gematigde thermische neutronen zullen worden geabsorbeerd door elementen met grotere neutronenabsorptiedwarsdoorsneden, en uiteindelijk zal neutronenafscherming worden bereikt.

② Belangrijke patentstudie

De poreuze en organisch-anorganische hybride eigenschappen vanzeldzame aarde-elementgadoliniumop metaal gebaseerde organische skeletmaterialen verhogen hun compatibiliteit met polyethyleen, waardoor de gesynthetiseerde composietmaterialen een hoger gadoliniumgehalte en een hogere gadoliniumdispersie krijgen. Het hoge gadoliniumgehalte en de hoge dispersie zullen de neutronenafschermende prestaties van de composietmaterialen rechtstreeks beïnvloeden.

Belangrijkste patent: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, uitvindingsoctrooi van een op gadolinium gebaseerd organisch raamwerk composiet afschermingsmateriaal en de bereidingsmethode ervan

Patentsamenvatting: Op gadolinium gebaseerd metaal-organisch skelet composiet afschermingsmateriaal is een composietmateriaal dat wordt gevormd door mengengadoliniumgebaseerd metaal-organisch skeletmateriaal met polyethyleen in een gewichtsverhouding van 2:1:10 en gevormd door verdamping van het oplosmiddel of heet persen. Op gadolinium gebaseerde metalen organische skeletcomposietafschermingsmaterialen hebben een hoge thermische stabiliteit en een thermisch neutronenafschermend vermogen.

Productieproces: verschillende selecterengadolinium metaalzouten en organische liganden voor het bereiden en synthetiseren van verschillende soorten op gadolinium gebaseerde metalen organische skeletmaterialen, het wassen ervan met kleine moleculen methanol, ethanol of water door centrifugatie, en het activeren ervan bij hoge temperatuur onder vacuümomstandigheden om de resterende niet-gereageerde grondstoffen volledig te verwijderen in de poriën van de op gadolinium gebaseerde metalen organische skeletmaterialen; Het in stap bereide organometaalskeletmateriaal op gadoliniumbasis wordt met hoge snelheid of ultrasoon geroerd met polyethyleenlotion, of het in stap bereide organometaalskeletmateriaal op gadoliniumbasis wordt bij hoge temperatuur in de smelt gemengd met polyethyleen met ultrahoog molecuulgewicht totdat het volledig gemengd is; Plaats het gelijkmatig gemengde op gadolinium gebaseerde metalen organische skeletmateriaal / polyethyleenmengsel in de mal en verkrijg het gevormde op gadolinium gebaseerde metalen organische skeletcomposiet afschermingsmateriaal door te drogen om de verdamping van het oplosmiddel te bevorderen of door heet persen; Het op gadolinium gebaseerde afschermingsmateriaal van metaalorganisch skeletcomposiet heeft een aanzienlijk verbeterde hittebestendigheid, mechanische eigenschappen en een superieur thermisch neutronenafschermend vermogen vergeleken met zuivere polyethyleenmaterialen.

Zeldzame aarde-additiemodus: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 of Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 poreus kristallijn coördinatiepolymeer dat gadolinium bevat, dat wordt verkregen door coördinatiepolymerisatie vanGd (NO3) 3 • 6H2O of GdCl3 • 6H2Oen organische carboxylaatligand; De grootte van op gadolinium gebaseerd organisch metaalskeletmateriaal is 50 nm-2 μm; Op gadolinium gebaseerde metalen organische skeletmaterialen hebben verschillende morfologieën, waaronder korrelige, staafvormige of naaldvormige vormen.

(4) Toepassing vanScandiumin radiochemie en nucleaire industrie

Scandiummetaal heeft een goede thermische stabiliteit en sterke fluorabsorptieprestaties, waardoor het een onmisbaar materiaal is in de atoomenergie-industrie.

Belangrijkste patent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, uitvindingsoctrooi voor een aluminium-zink-magnesium-scandium-legering en de bereidingsmethode ervan

Patentsamenvatting: Een aluminiumzinkmagnesium-scandiumlegeringen de bereidingswijze ervan. De chemische samenstelling en het gewichtspercentage van de aluminium-zink-magnesium-scandiumlegering zijn: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, onzuiverheden Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, andere onzuiverheden single ≤ 0,05%, andere onzuiverheden totaal ≤ 0,15%, en de resterende hoeveelheid is Al. De microstructuur van dit aluminium-zink-magnesium-scandium-legeringsmateriaal is uniform en de prestaties zijn stabiel, met een ultieme treksterkte van meer dan 400 MPa, een vloeigrens van meer dan 350 MPa en een treksterkte van meer dan 370 MPa voor lasverbindingen. De materiële producten kunnen worden gebruikt als structurele elementen in de lucht- en ruimtevaart, de nucleaire industrie, transport, sportartikelen, wapens en andere gebieden.

Productieproces: Stap 1, ingrediënt volgens de bovenstaande legeringssamenstelling; Stap 2: Smelt in de smeltoven bij een temperatuur van 700 ℃~780 ℃; Stap 3: Verfijn de volledig gesmolten metaalvloeistof en houd de metaaltemperatuur tijdens het raffineren binnen het bereik van 700 ℃ ~ 750 ℃; Stap 4: Na het raffineren moet het volledig stil kunnen staan; Stap 5: Begin na het volledig staan ​​met gieten, houd de oventemperatuur binnen het bereik van 690 ℃ ~ 730 ℃ en de gietsnelheid is 15-200 mm / minuut; Stap 6: Voer een homogenisatie-gloeibehandeling uit op de legeringsstaaf in de verwarmingsoven, met een homogenisatietemperatuur van 400 ℃ ~ 470 ℃; Stap 7: Schil de gehomogeniseerde staaf en voer hete extrusie uit om profielen te produceren met een wanddikte van meer dan 2,0 mm. Tijdens het extrusieproces moet de knuppel op een temperatuur van 350 ℃ tot 410 ℃ worden gehouden; Stap 8: Knijp in het profiel voor een oplossingsdovende behandeling, met een oplossingstemperatuur van 460-480 ℃; Stap 9: Na 72 uur afschrikken met een vaste oplossing forceert u handmatig de veroudering. Het handmatige verouderingssysteem is: 90~110 ℃/24 uur+170~180 ℃/5 uur, of 90~110 ℃/24 uur+145~155 ℃/10 uur.

5, Onderzoekssamenvatting

Over het geheel genomen worden zeldzame aardmetalen op grote schaal gebruikt bij kernfusie en kernsplijting, en zijn er veel patenten beschikbaar in technische richtingen als röntgenexcitatie, plasmavorming, lichtwaterreactor, transuranium, uranyl en oxidepoeder. Wat reactormaterialen betreft, kunnen zeldzame aardmetalen worden gebruikt als structurele materialen voor reactoren en gerelateerde keramische isolatiematerialen, controlematerialen en materialen voor bescherming tegen neutronenstraling.