Toepassing van zeldzame aardelementen in nucleaire materialen

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, waaronder nucleaire brandstof en nucleaire engineeringmaterialen, dwz niet -nucleaire brandstofmaterialen.

Het algemeen verwezen naar nucleaire materialen verwijzen voornamelijk naar materialen die in verschillende delen van de reactor worden gebruikt, ook bekend als reactormaterialen. Reactormaterialen omvatten nucleaire brandstof die nucleaire splijting onder neutronenbombardementen ondergaat, bekledingsmaterialen voor nucleaire brandstofcomponenten, koelmiddelen, neutronenmoderators (moderators), controlestangmaterialen die neutronen sterk absorberen en reflecterende materialen die neutronenlekkage buiten de reactor voorkomen.

2 、 CO -geassocieerde relatie tussen zeldzame aardebronnen en nucleaire hulpbronnen

Monaziet, ook wel fosfoceriet en fosfoceriet genoemd, is een gemeenschappelijk accessoire -mineraal in stollingsgesteente rots en metamorf gesteente. Monazite is een van de belangrijkste mineralen van zeldzame aardmetaalerts en bestaat ook in een sedimentair gesteente. Bruinachtig rood, geel, soms bruin geel, met een vettige glans, complete splitsing, MOHS-hardheid van 5-5,5 en een soortelijk gewicht van 4,9-5.5.

Het belangrijkste ertsmineraal van sommige placer -type zeldzame aardafzettingen in China is Monazite, voornamelijk gelegen in Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan, en hij County, Guangxi. De extractie van zeldzame aardse bronnen van het placer 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 zeldzame aardingstoepassing in kernfusie en kernsplijting op basis van patentpanoramische analyse

Nadat de zoekwoorden van zeldzame zoekelementen van de aarde volledig zijn uitgebreid, worden ze gecombineerd met de uitbreidingstoetsen en classificatienummers van kernsplijting en kernfusie en doorzocht in de incoptdatabase. De zoekdatum is 24 augustus 2020. 4837 Patenten werden verkregen na eenvoudige gezinsfusie en 4673 octrooien werden bepaald na kunstmatige ruisvermindering.

Rare Earth -octrooiaanvragen op het gebied van kernsplijting of kernfusie worden gedistribueerd in 56 landen/regio's, voornamelijk geconcentreerd in Japan, China, de Verenigde Staten, Duitsland en Rusland, enz. Een aanzienlijk aantal patenten wordt toegepast in de vorm van PCT, waarvan Chinese patenttechnologie -toepassingen zijn toegenomen, met name in de Verenigde Staten, de Verenigde Staten en Japan, de Verenigde Staten en Rusland in dit veld. 1).

Figuur 1 Toepassingstrend van technologische octrooien gerelateerd aan de zeldzame aardingstoepassing in nucleaire kernsplijting en kernfusie in landen/regio's

Uit de analyse van technische thema's blijkt dat de toepassing van zeldzame aarde in nucleaire fusie en nucleaire splijting zich richt op brandstofelementen, 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 nucleaire fusie en nucleaire splijtingsreacties in nucleaire materialen intens en de vereisten voor materialen zijn streng. Momenteel zijn stroomreactoren voornamelijk nucleaire splijtingsreactoren en kunnen fusiereactoren na 50 jaar op grote schaal populair worden gemaakt. De toepassing vanzeldzame aardeelementen in structurele materialen van reactor; In specifieke nucleaire chemische velden worden zeldzame aardelementen voornamelijk gebruikt in controlestaven; In aanvulling,scandiumis ook gebruikt in radiochemie en nucleaire industrie.

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

In vermogensreactoren is de initiële resterende reactiviteit van nieuwe kernen over het algemeen relatief hoog. Vooral in de vroege stadia van de eerste tankcyclus, wanneer alle nucleaire brandstof in de kern nieuw is, is de resterende reactiviteit de hoogste. Op dit punt zou het uitsluitend op toenemende controlestangen om de resterende reactiviteit te compenseren, meer controlestaven introduceren. Elke bedieningsstang (of staafbundel) komt overeen met de introductie van een complex rijmechanisme. Aan de ene kant verhoogt dit de kosten, en anderzijds kan het openen van gaten in het drukvatkop leiden tot een afname van de structurele sterkte. Het is niet alleen oneconomisch, maar het is ook niet toegestaan ​​om een ​​bepaalde hoeveelheid porositeit en structurele sterkte op het drukvatkop te hebben. Zonder de controlestangen te vergroten, is het echter noodzakelijk om de concentratie van chemische compenserende toxines (zoals boorzuur) te verhogen om de resterende reactiviteit te compenseren. In dit geval is het gemakkelijk voor de boorconcentratie om de drempel te overschrijden en zal de temperatuurcoëfficiënt van de moderator positief worden.

Om de bovengenoemde problemen te voorkomen, kan een combinatie van brandbare toxines, controlestangen en chemische compensatiecontrole in het algemeen worden gebruikt voor controle.

（2） Als dopant om de prestaties van structurele materialen van reactor te verbeteren

Reactoren vereisen structurele componenten en brandstofelementen om een ​​bepaald niveau van sterkte, corrosieweerstand en hoge thermische stabiliteit te hebben, terwijl ook voorkomen dat splijtingsproducten de koelvloeistof binnengaan.

1). Razen Earth Steel

De kernreactor heeft extreme fysische en chemische omstandigheden en elke component van de reactor heeft ook hoge vereisten voor het gebruikte speciale staal. Zeldzame aardelementen hebben speciale modificatie -effecten op staal, voornamelijk inclusief zuivering, metamorfisme, micro -legering en verbetering van corrosieweerstand. Zeldzame aarde bevattende staal wordt ook op grote schaal gebruikt in kernreactoren.

① Zuiveringseffect: bestaand onderzoek heeft aangetoond dat zeldzame aardes een goed zuiveringseffect hebben op gesmolten staal bij hoge temperaturen. Dit komt omdat zeldzame aardes kunnen reageren met schadelijke elementen zoals zuurstof en zwavel in het gesmolten staal om verbindingen op hoge temperatuur te genereren. De verbindingen op hoge temperatuur kunnen worden neergeslagen en ontladen in de vorm van insluitsels vóór de gesmolten staal condensies, waardoor het onzuiverheidsgehalte in het gesmolten staal wordt verminderd.

② Metamorphism: Anderzijds 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 worden opsluitingen van staal met een hoog smeltpunt. Deze insluitsels kunnen worden gebruikt als heterogene nucleatiecentra tijdens stolling van het gesmolten staal, waardoor de vorm en structuur van staal wordt verbeterd.

③ Micro -legering: als de toevoeging van zeldzame aarde verder wordt verhoogd, zal de resterende zeldzame aarde worden opgelost in het staal na de bovengenoemde zuivering en metamorfisme zijn voltooid. Omdat de atomaire straal van zeldzame aarde groter is dan die van ijzeratoom, heeft zeldzame aarde een hogere oppervlakte -activiteit. Tijdens het stollingsproces van gesmolten staal zijn zeldzame aardelementen verrijkt bij de korrelgrens, die de segregatie van onzuiverheidselementen aan de korrelgrens beter kunnen verminderen, waardoor de vaste oplossing wordt versterkt en de rol van micro -legering wordt gespeeld. Aan de andere kant kunnen ze, vanwege de waterstofopslagkenmerken van zeldzame aardes, waterstof in staal absorberen, waardoor het fenomeen van het waterstofbuicten 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 aardes een hoger zelfcorrosiepotentieel hebben dan roestvrij staal. Daarom kan de toevoeging van zeldzame aardes het zelfcorrosiepotentieel van roestvrij staal verhogen, waardoor de stabiliteit van staal in corrosieve media wordt verbeterd.

2). Belangrijke octrooistudie

Belangrijke octrooi: uitvinding octrooi van een oxidedispersie versterkte laag activeringsstaal en de voorbereidingsmethode ervan door Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences

Patent Samenvatting: Opgeleverd is een oxide -dispersie versterkt laag activeringsstaal geschikt voor fusiereactoren en de voorbereidingsmethode, gekarakteriseerd doordat het percentage legeringselementen in de totale massa van het lage activeringsstaal is: de matrix is ​​Fe, 0,08% ≤ 0,15%, 8,0% ≤ Cr ≤ 10,0%, 1,1% 1% ≤ ta ≤ 0,2%, 0,1 ≤ mn ≤ 0,6%en 0,05%≤ y2o3 ≤ 0,5%.

Productieproces: Fe-CR-WV-TA-MN Mother Alloy Smelting, Powder Atomization, High-Energy Ball Milling of the Mother Alloy andY2O3 nanodeeltjeGemengd poeder, poeder omhullende extractie, stollingsvorming, heet rollen en warmtebehandeling.

Rare Earth Addition -methode: Nanoschaal toevoegenY2O3Deeltjes aan de ouderlegering geatomiseerd poeder voor energierijke balfrees, waarbij het balfreesmedium φ 6 en φ 10 gemengde harde stalen ballen is, met een balfrezenatmosfeer van 99,99% argongas, een kogelmateriaalmassaverhouding van (8-10): 1, een balfietstijd van 40-70 uur en een roterende snelheid van 350-500 R/Min.

3）. Gebruikt om materialen voor neutronenstralingsbescherming te maken

① Principe van neutronenstralingsbescherming

Neutronen zijn componenten van atomaire kernen, met een statische massa van 1.675 × 10-27kg, dat 1838 keer de elektronische massa is. De straal is ongeveer 0,8 × 10-15 m, vergelijkbaar in grootte met een proton, vergelijkbaar met γ-stralen zijn even niet opgeladen. Wanneer neutronen interageren met materie, interageren ze voornamelijk met de nucleaire krachten in de kern en interageren ze niet met de elektronen in de buitenste schaal.

Met de snelle ontwikkeling van kernenergie en nucleaire reactortechnologie is er steeds meer aandacht besteed aan de veiligheid van nucleaire straling en bescherming van nucleaire straling. Om de stralingsbescherming voor exploitanten te versterken die al lang bezig zijn met onderhoud van stralingsapparatuur en het redden van ongevallen, is het van grote wetenschappelijke betekenis en economische waarde om lichtgewicht afschermingscomposieten voor beschermende kleding te ontwikkelen. Neutronenstraling is het belangrijkste onderdeel van nucleaire reactorstraling. Over het algemeen zijn de meeste neutronen in direct contact met mensen vertraagd tot neutronen met lage energie na het neutronenschermingseffect van de structurele materialen in de kernreactor. Neutronen met lage energie zullen botsen met kernen met een lager atoomnummer elastisch en blijven gemodereerd. De gematigde thermische neutronen zullen worden geabsorbeerd door elementen met grotere neutronenabsorptie -dwarsdoorsneden, en uiteindelijk zal het neutronenscherming worden bereikt.

② Key Patent Study

De poreuze en organische anorganische hybride eigenschappen vanZeldzame aardelementgadoliniumGebaseerde metalen organische skeletmaterialen verhogen hun compatibiliteit met polyethyleen, waarbij de gesynthetiseerde composietmaterialen worden bevorderd om een ​​hoger gadoliniumgehalte en gadoliniumdispersie te hebben. Het hoge gadoliniumgehalte en de dispersie hebben direct invloed op de prestaties van de neutronenafscherming van de composietmaterialen.

Belangrijke octrooi: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academie voor Wetenschappen, uitvindingsoctrooi van een op gadolinium gebaseerd organisch kader composiet afschermingsmateriaal en de voorbereidingsmethode

Patent Samenvatting: Gadolinium -gebaseerd metaal organisch skeletcomposietschermmateriaal is een composietmateriaal gevormd door mengengadoliniumGebaseerd metalen organisch skeletmateriaal met polyethyleen in een gewichtsverhouding van 2: 1: 10 en vormt het door verdamping van oplosmiddelen of hete persen. Gadolinium -gebaseerde metalen organische skelet composietafschermingsmaterialen hebben een hoge thermische stabiliteit en thermisch neutronenschermingsvermogen.

Productieproces: anders selecterengadoliniummetaalZouten en organische liganden om verschillende soorten metalen organische skeletmaterialen op basis van gadolinium te bereiden en te synthetiseren, deze te wassen met kleine moleculen van methanol, ethanol of water door centrifugeren door centrifugatie en het activeren van hoge temperatuur onder vacuümomstandigheden om de residuele niet -gereageerde ruwe materialen in de poriën van de poriën van de poriën van de poriën van de poriën van de metaal van de poriën van de metalen organische skeletmaterialen te activeren; Het op gadolinium gebaseerde organometallische skeletmateriaal dat in de stap wordt bereid, wordt geroerd met polyethyleenlotion met een hoge snelheid, of ultrasonisch, of het gadoliniumgebaseerde organometallische skeletmateriaal dat in de stap wordt bereid, wordt gemengd met ultrahoge molecuulgewicht polyethyleen bij hoge temperatuur tot het volledig gemengd is; Plaats de uniform gemengde metalen organische skeletmateriaal/polyethyleenmengsel op gadolinium in de mal en verkrijg het gevormde metalen organische skeletafdelingsmateriaal op basis van gadolinium door te drogen om oplosmiddelverdamping of heet persen te bevorderen; Het voorbereide metalen organische skeletcomposietschermmateriaal op basis van gadolinium heeft aanzienlijk verbeterde warmtebestendigheid, mechanische eigenschappen en superieure thermisch neutronenschermingsvermogen vergeleken met zuivere polyethyleenmaterialen.

Zeldzame aardetoevoegingsmodus: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 of GD (BDC) 1.5 (H2O) 2 Poreuze kristallijne coördinatie Polymeer die gadolinium bevat, dat wordt verkregen door coördinatiepolymerisatie vanGD (NO3) 3 • 6H2O of GDCL3 • 6H2Oen organisch carboxylaatligand; De grootte van metalen organisch skeletmateriaal op basis van gadolinium is 50 nm-2 μm ； 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 atomaire energie -industrie.

Belangrijke octrooi: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, Invention Patent voor een aluminium zink Magnesium Scandium -legering en de voorbereidingsmethode

Patent Abstract: een aluminium zinkmagnesiumschandiumlegeringen de voorbereidingsmethode 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%, Impurities Cu ≤ 0,2%, SI ≤ 0,35%, Fe <0,4%, Andere ün. 0,15%, en het resterende bedrag 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 opbrengststerkte van meer dan 350 MPa en een treksterkte van meer dan 370 MPA voor gelaste gewrichten. De materiële producten kunnen worden gebruikt als structurele elementen in ruimtevaart, nucleaire industrie, transport, sportartikelen, wapens en andere velden.

Productieproces: stap 1, ingrediënt volgens de bovengenoemde legeringsamenstelling; Stap 2: Smelt in de smeltoven bij een temperatuur van 700 ℃ ~ 780 ℃; Stap 3: Verfijn de volledig gesmolten metalen vloeistof en houd de metaaldetemperatuur binnen het bereik van 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​tijdens het verfijnen; Stap 4: Na het verfijnen moet het volledig worden toegestaan ​​om stil te staan; Stap 5: Begin na volledig staande, houd de oventemperatuur binnen het bereik van 690 ℃ ~ 730 ℃ en de gietsnelheid is 15-200 mm/minuut; Stap 6: Homogenisatie -gloeiende behandeling op de legering in de verwarmingsoven, met een homogenisatietemperatuur van 400 ℃ ~ 470 ℃; Stap 7: Schil de gehomogeniseerde ingot en voer hete extrusie uit om profielen te produceren met een wanddikte van meer dan 2,0 mm. Tijdens het extrusieproces moet de billet worden gehandhaafd bij een temperatuur van 350 ℃ tot 410 ℃; Stap 8: Knijp het profiel uit voor het blussen van de oplossing, met een oplossingstemperatuur van 460-480 ℃; Stap 9: Na 72 uur vaste oplossing, dwingen ze handmatig veroudering handmatig. Het handmatige krachtverouderingssysteem is: 90 ~ 110 ℃/24 uur+170 ~ 180 ℃/5 uur, of 90 ~ 110 ℃/24 uur+145 ~ 155 ℃/10 uur.

5 、 Onderzoekssamenvatting

Over het algemeen worden zeldzame aardes op grote schaal gebruikt in nucleaire fusie en nucleaire splijting en hebben ze veel patentlay-outs in technische richtingen zoals röntgenuitexcitatie, plasmavorming, lichtwaterreactor, transuranium, uranyl- en oxidepoeder. Wat reactormaterialen betreft, kunnen zeldzame aardes worden gebruikt als structurele materialen van de reactor en gerelateerde keramische isolatiematerialen, controlematerialen en neutronenstralingsbeschermingsmaterialen.