Toepassing van zeldzame aardelementen in nucleaire materialen

1. Definitie van nucleair materiaal

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, d.w.z. niet-nucleaire brandstofmaterialen.

De algemeen gebruikte nucleaire materialen verwijzen voornamelijk naar materialen die in verschillende onderdelen van de reactor worden gebruikt, ook wel reactormaterialen genoemd. Reactormaterialen omvatten kernbrandstof die kernsplijting ondergaat onder neutronenbombardement, bekledingsmaterialen voor kernbrandstofcomponenten, koelmiddelen, neutronenmoderatoren (moderatoren), regelstaven die neutronen sterk absorberen en reflecterende materialen die neutronenlekkage buiten de reactor voorkomen.

2. Co-geassocieerde relatie tussen zeldzame aardmetalen en kernbronnen

Monaziet, ook wel fosfoceriet of fosfoceriet genoemd, is een veelvoorkomend accessoire mineraal in middelzure stollingsgesteenten en metamorfe gesteenten. Monaziet is een van de belangrijkste mineralen in ertsen van zeldzame aardmetalen en komt ook voor in sommige sedimentaire gesteenten. Het is bruinrood, geel, soms bruingeel, met een vettige glans, volledige splijting, een hardheid volgens Mohs-schaal van 5-5,5 en een soortelijk gewicht van 4,9-5,5.

Het belangrijkste ertsmineraal van sommige placer-type zeldzame aarden in China is monaziet, voornamelijk te vinden in Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan en He County in Guangxi. De winning van placer-type zeldzame aarden is echter vaak niet economisch van belang. Solitair gesteente bevat vaak reflexieve thoriumelementen en is tevens de belangrijkste bron van commercieel plutonium.

3. Overzicht van de toepassing van zeldzame aarden in kernfusie en kernsplijting op basis van patentpanoramische analyse

Nadat de trefwoorden van de 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 na kunstmatige ruisonderdrukking.

Octrooiaanvragen voor zeldzame aardmetalen op het gebied van kernsplijting of kernfusie zijn verspreid over 56 landen/regio's, voornamelijk geconcentreerd in Japan, China, de Verenigde Staten, Duitsland en Rusland, enz. Een aanzienlijk aantal octrooien wordt aangevraagd in de vorm van PCT's. De aanvragen voor Chinese octrooitechnologie nemen toe, vooral sinds 2009, en zijn in een snelle groeifase beland. Japan, de Verenigde Staten en Rusland blijven al vele jaren octrooien op dit gebied aanvragen (Figuur 1).

Figuur 1 Toepassingstrend van technologiepatenten met betrekking tot de toepassing van zeldzame aarden in kernsplijting en kernfusie in landen/regio's

Uit de analyse van technische thema's blijkt dat de toepassing van zeldzame aardmetalen in 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

Kernfusie- en kernsplijtingsreacties in nucleaire materialen zijn intensief en de eisen aan de materialen zijn streng. Momenteel zijn kernreactoren voornamelijk kernsplijtingsreactoren, en fusiereactoren zouden over 50 jaar op grote schaal gepopulariseerd kunnen worden. De toepassing vanzeldzame aardeelementen in reactorstructuurmaterialen; Op specifieke nucleaire chemische gebieden worden zeldzame aardelementen voornamelijk gebruikt in regelstaven; Daarnaast,scandiumwordt ook gebruikt in de radiochemie en de nucleaire industrie.

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

In kernreactoren is de initiële restreactiviteit van nieuwe kernen over het algemeen relatief hoog. Vooral in de beginfase van de eerste brandstofcyclus, wanneer alle kernbrandstof in de kern nieuw is, is de resterende reactiviteit het hoogst. Op dit punt zou het uitsluitend inzetten op meer regelstaven ter compensatie van de resterende reactiviteit leiden tot de introductie van meer regelstaven. 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. Dit is niet alleen oneconomisch, maar het is ook niet toegestaan ​​om een ​​bepaalde mate van porositeit en structurele sterkte op de kop van het drukvat te hebben. Zonder meer regelstaven is het echter noodzakelijk om de concentratie chemische compenserende toxines (zoals boorzuur) te verhogen om de resterende reactiviteit te compenseren. In dit geval kan de boorconcentratie gemakkelijk de drempelwaarde overschrijden, waardoor de temperatuurcoëfficiënt van de moderator positief wordt.

Om de hierboven genoemde problemen te voorkomen, kan doorgaans een combinatie van brandbare gifstoffen, controle-staven en chemische compensatie worden gebruikt.

(2) Als dopant om de prestaties van reactorstructuurmaterialen te verbeteren

Voor reactoren zijn structurele componenten en splijtstofelementen nodig die over een bepaalde mate van sterkte, corrosiebestendigheid en hoge thermische stabiliteit beschikken. Tegelijkertijd moeten ze voorkomen dat splijtingsproducten in het koelmiddel terechtkomen.

1) Zeldzaam aardstaal

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

① Reinigend effect: Bestaand onderzoek heeft aangetoond dat zeldzame aardmetalen een goed reinigend effect hebben op gesmolten staal bij hoge temperaturen. Dit komt doordat zeldzame aardmetalen kunnen reageren met schadelijke elementen zoals zuurstof en zwavel in het gesmolten staal, waardoor verbindingen met hoge temperaturen ontstaan. Deze verbindingen kunnen neerslaan en in de vorm van insluitsels worden afgevoerd voordat het gesmolten staal condenseert, waardoor het gehalte aan onzuiverheden in het gesmolten staal afneemt.

2 Metamorfose: de oxiden, sulfiden of oxysulfiden die ontstaan ​​door de reactie van zeldzame aardmetalen in het gesmolten staal met schadelijke elementen zoals zuurstof en zwavel, kunnen daarentegen gedeeltelijk in het gesmolten staal achterblijven en insluitsels vormen in staal met een hoog smeltpunt. Deze insluitsels kunnen worden gebruikt als heterogene nucleatiecentra tijdens het stollen van het gesmolten staal, waardoor de vorm en structuur van het staal worden verbeterd.

③ Microlegering: indien de toevoeging van zeldzame aarden verder wordt verhoogd, zal de resterende zeldzame aard in het staal oplossen nadat de bovengenoemde zuivering en metamorfose zijn voltooid. Omdat de atoomstraal van zeldzame aarden groter is dan die van ijzeratomen, hebben ze een hogere oppervlakteactiviteit. Tijdens het stollingsproces van gesmolten staal worden zeldzame aarden verrijkt aan de korrelgrens, waardoor de segregatie van onzuiverheden aan de korrelgrens beter kan worden verminderd, waardoor de vaste oplossing wordt versterkt en de rol van microlegering wordt gespeeld. Aan de andere kant kunnen zeldzame aarden, dankzij hun waterstofopslagcapaciteit, waterstof in staal absorberen, waardoor het fenomeen van waterstofbrosheid van staal effectief wordt verbeterd.

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

2). Belangrijke patentstudie

Belangrijk patent: uitvindingspatent van een met oxidedispersie versterkt staal met lage activering en de bereidingsmethode ervan door het Institute of Metals van de Chinese Academie van Wetenschappen

Octrooi-abstract: Er wordt een oxidedispersieversterkt staal met lage activering verschaft dat geschikt is voor fusiereactoren en de bereidingsmethode ervan, gekenmerkt doordat 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: smelten van de moederlegering Fe-Cr-WV-Ta-Mn, poederatomisatie, hoogenergetisch kogelmalen van de moederlegering enY2O3 nanodeeltjegemengd poeder, poederomhullende extractie, stollingsvormen, warmwalsen en warmtebehandeling.

Zeldzame aarde-additiemethode: nanoschaal toevoegenY2O3deeltjes aan het vernevelde poeder van de oorspronkelijke legering voor het malen in kogels met hoge energie, waarbij het medium voor het malen in kogels gemengde harde stalen kogels van Φ 6 en Φ 10 zijn, met een atmosfeer voor het malen in kogels van 99,99% argongas, een massaverhouding van het kogelmateriaal van (8-10): 1, een maaltijd in kogels van 40-70 uur en een rotatiesnelheid van 350-500 omw/min.

3) Wordt gebruikt om materialen te maken die bescherming bieden tegen neutronenstraling

① Principe van neutronenstralingsbescherming

Neutronen zijn componenten van atoomkernen met een statische massa van 1,675 × 10-27 kg, wat 1838 keer de massa van het elektron is. De straal is ongeveer 0,8 × 10-15 m, vergelijkbaar in grootte met een proton, vergelijkbaar met γ-stralen. Neutronen zijn eveneens ongeladen. Wanneer neutronen met materie interacteren, interacteren ze voornamelijk met de kernkrachten binnen 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 al lange tijd betrokken zijn bij het onderhoud van stralingsapparatuur en reddingsacties na ongevallen, is het van groot wetenschappelijk belang en economisch belang om lichtgewicht afschermingscomposieten voor beschermende kleding te ontwikkelen. Neutronenstraling is het belangrijkste onderdeel van de straling in kernreactoren. Over het algemeen worden de meeste neutronen die in direct contact komen met mensen, afgeremd tot neutronen met lage energie na het neutronenafschermingseffect van de structurele materialen in de kernreactor. Neutronen met lage energie zullen elastisch botsen met kernen met een lager atoomnummer en blijven gemodereerd. De gemodereerde thermische neutronen zullen worden geabsorbeerd door elementen met grotere neutronenabsorptiedoorsneden, waarna uiteindelijk neutronenafscherming wordt bereikt.

② Belangrijkste patentstudie

De poreuze en organisch-anorganische hybride eigenschappen vanzeldzame aarde-elementgadoliniumMetaal-organische skeletmaterialen verhogen hun compatibiliteit met polyethyleen, waardoor de gesynthetiseerde composietmaterialen een hoger gadoliniumgehalte en een hogere gadoliniumdispersie hebben. Het hoge gadoliniumgehalte en de hoge gadoliniumdispersie hebben een directe invloed op de neutronenafscherming van de composietmaterialen.

Belangrijk patent: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academie van Wetenschappen, uitvindingspatent voor een gadoliniumgebaseerd organisch raamwerkcomposiet afschermingsmateriaal en de bereidingsmethode ervan

Patent Abstract: Gadolinium-gebaseerd metaalorganisch skeletcomposiet afschermingsmateriaal is een composietmateriaal dat wordt gevormd door het mengengadoliniumOp metaalorganisch skeletmateriaal gebaseerd met polyethyleen in een gewichtsverhouding van 2:1:10 en gevormd door middel van oplosmiddelverdamping of warmpersen. Gadoliniumgebaseerde metaalorganisch skeletcomposiet-afschermingsmaterialen hebben een hoge thermische stabiliteit en bieden een thermische neutronenafscherming.

Productieproces: verschillende soorten selecterengadoliniummetaalzouten en organische liganden om verschillende soorten op gadolinium gebaseerde metaalorganische skeletmaterialen te bereiden en te synthetiseren, ze te wassen met kleine moleculen methanol, ethanol of water door centrifugatie en ze te activeren bij hoge temperatuur onder vacuümomstandigheden om de resterende niet-gereageerde grondstoffen in de poriën van de op gadolinium gebaseerde metaalorganische skeletmaterialen volledig te verwijderen; Het in stap 1 bereide organometaalskeletmateriaal op basis van gadolinium wordt met polyethyleenlotion op hoge snelheid of ultrasonisch geroerd, of het in stap 1 bereide organometaalskeletmateriaal op basis van gadolinium wordt bij hoge temperatuur gesmolten en gemengd met polyethyleen met ultrahoog moleculair gewicht totdat het volledig gemengd is; Plaats het gelijkmatig gemengde mengsel van gadoliniumgebaseerd metaalorganisch skeletmateriaal/polyethyleen in de mal en verkrijg het gevormde composiet afschermingsmateriaal van gadoliniumgebaseerd metaalorganisch skelet door te drogen om verdamping van oplosmiddelen te bevorderen of door heet te persen; Het bereide composiet afschermingsmateriaal van gadoliniumgebaseerd metaalorganisch skelet heeft een aanzienlijk verbeterde hittebestendigheid, mechanische eigenschappen en een superieur thermisch neutronenafschermingsvermogen in vergelijking 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 gadoliniumgebaseerd metaalorganisch skeletmateriaal is 50 nm - 2 μ m; Gadoliniumgebaseerde metaalorganische skeletmaterialen hebben verschillende morfologieën, waaronder korrelige, staafvormige of naaldvormige vormen.

(4) Toepassing vanScandiumin de radiochemie en de nucleaire industrie

Scandiummetaal heeft een goede thermische stabiliteit en een sterk fluorabsorptievermogen, waardoor het een onmisbaar materiaal is in de atoomenergiesector.

Belangrijk patent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, uitvindingspatent voor een aluminium-zink-magnesium-scandiumlegering en de bereidingsmethode ervan

Patent samenvatting: Een aluminium zinkmagnesium scandium legeringen de bereidingswijze. 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 enkelvoudig ≤ 0,05%, andere onzuiverheden totaal ≤ 0,15% en de resterende hoeveelheid is Al. De microstructuur van deze aluminium-zink-magnesium-scandiumlegering is uniform en de prestaties zijn stabiel, met een uiteindelijke treksterkte van meer dan 400 MPa, een vloeigrens van meer dan 350 MPa en een treksterkte van meer dan 370 MPa voor gelaste verbindingen. De materiële producten kunnen worden gebruikt als structurele elementen in de lucht- en ruimtevaart, de nucleaire industrie, transport, sportartikelen, wapens en andere sectoren.

Fabricageproces: 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 handhaaf de metaaltemperatuur binnen het bereik van 700 ℃~750 ℃ ​​tijdens het raffineren; Stap 4: Na het raffineren moet het volledig stilstaan; Stap 5: Begin na volledig staan ​​met gieten, handhaaf 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 staaf op een temperatuur van 350 tot 410 °C worden gehouden. Stap 8: Pers het profiel voor een oplossingsblusbehandeling, met een oplossingstemperatuur van 460-480 °C. Stap 9: Na 72 uur blussen met vaste oplossing, handmatige veroudering. Het handmatige verouderingssysteem is: 90 tot 110 °C / 24 uur + 170 tot 180 °C / 5 uur, of 90 tot 110 °C / 24 uur + 145 tot 155 °C / 10 uur.

5. Onderzoeksamenvatting

Over het algemeen worden zeldzame aarden veel gebruikt in kernfusie en kernsplijting, en hebben ze veel patenten in technische richtingen zoals röntgenexcitatie, plasmavorming, lichtwaterreactoren, transuranium, uranyl en oxidepoeder. Wat reactormaterialen betreft, kunnen zeldzame aarden worden gebruikt als structurele materialen voor reactoren en gerelateerde keramische isolatiematerialen, controlematerialen en materialen ter bescherming tegen neutronenstraling.