1. Definícia jadrových materiálov
V širšom zmysle je jadrový materiál všeobecný pojem pre materiály používané výlučne v jadrovom priemysle a jadrovom vedeckom výskume vrátane jadrových palivových a inžinierskych materiálov, t. j. nejadrových palivových materiálov.
Bežne označované jadrové materiály sa vzťahujú najmä na materiály používané v rôznych častiach reaktora, známe aj ako reaktorové materiály. Medzi reaktorové materiály patrí jadrové palivo, ktoré podlieha jadrovému štiepeniu pri neutrónovom bombardovaní, obalové materiály pre komponenty jadrového paliva, chladiace kvapaliny, moderátory neutrónov (moderátory), materiály riadiacich tyčí, ktoré silne absorbujú neutróny, a reflexné materiály, ktoré zabraňujú úniku neutrónov mimo reaktora.
2. Súvislosť medzi zdrojmi vzácnych zemín a jadrovými zdrojmi
Monazit, tiež nazývaný fosfocerit a fosfocerit, je bežný pomocný minerál v stredne kyslých vyvretých horninách a metamorfovaných horninách. Monazit je jedným z hlavných minerálov rúd vzácnych zemín a vyskytuje sa aj v niektorých sedimentárnych horninách. Je hnedočervený, žltý, niekedy hnedožltý, s mastným leskom, úplným štiepením, tvrdosťou podľa Mohsa 5 – 5,5 a špecifickou hmotnosťou 4,9 – 5,5.
Hlavným rudným minerálom niektorých ložísk vzácnych zemín typu placer v Číne je monazit, ktorý sa nachádza najmä v oblastiach Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan a Che County v Guangxi. Ťažba zdrojov vzácnych zemín typu placer však často nemá ekonomický význam. Osamelé kamene často obsahujú reflexné prvky tória a sú tiež hlavným zdrojom komerčného plutónia.
3. Prehľad využitia vzácnych zemín v jadrovej fúzii a štiepení jadra na základe panoramatickej analýzy patentu
Po úplnom rozbalení kľúčových slov vyhľadávacích prvkov vzácnych zemín sa tieto kľúče skombinujú s rozširovacími kľúčmi a klasifikačnými číslami jadrového štiepenia a jadrovej fúzie a vyhľadajú sa v databáze Incopt. Dátum vyhľadávania je 24. augusta 2020. Po jednoduchom zlúčení rodín bolo získaných 4837 patentov a po umelom znížení šumu bolo určených 4673 patentov.
Prihlášky patentov na vzácne zeminy v oblasti jadrového štiepenia alebo jadrovej fúzie sú distribuované v 56 krajinách/regiónoch, sústredených najmä v Japonsku, Číne, Spojených štátoch, Nemecku a Rusku atď. Značný počet patentov sa podáva formou PCT, pričom počet čínskych prihlášok patentových technológií sa zvyšuje, najmä od roku 2009, kedy vstúpil do fázy rýchleho rastu, a Japonsko, Spojené štáty a Rusko v tejto oblasti pokračujú už mnoho rokov (obrázok 1).
Obrázok 1 Trend podávania žiadostí o technologické patenty súvisiace s aplikáciou vzácnych zemín v jadrovom štiepení a jadrovej fúzii v krajinách/regiónoch
Z analýzy technických tém vyplýva, že aplikácia vzácnych zemín v jadrovej fúzii a štiepení sa zameriava na palivové články, scintilátory, detektory žiarenia, aktinidy, plazmy, jadrové reaktory, ochranné materiály, absorpciu neutrónov a ďalšie technické smery.
4. Špecifické aplikácie a kľúčový patentový výskum prvkov vzácnych zemín v jadrových materiáloch
Medzi nimi sú intenzívne reakcie jadrovej fúzie a štiepenia v jadrových materiáloch a požiadavky na materiály sú prísne. V súčasnosti sú energetické reaktory prevažne reaktory jadrového štiepenia a fúzne reaktory by sa mohli vo veľkom meradle popularizovať po 50 rokoch. Aplikáciavzácnych zemínprvky v konštrukčných materiáloch reaktorov; V špecifických oblastiach jadrovej chémie sa prvky vzácnych zemín používajú hlavne v riadiacich tyčiach; okrem tohoskandiumpoužíva sa aj v rádiochémii a jadrovom priemysle.
(1) Ako horľavý jed alebo regulačná tyč na úpravu úrovne neutrónov a kritického stavu jadrového reaktora
V energetických reaktoroch je počiatočná zvyšková reaktivita nových aktív vo všeobecnosti relatívne vysoká. Najmä v počiatočných fázach prvého cyklu výmeny paliva, keď je všetko jadrové palivo v aktívnom jadre nové, je zvyšková reaktivita najvyššia. V tomto bode by spoliehanie sa výlučne na zvýšenie počtu riadiacich tyčí na kompenzáciu zvyškovej reaktivity znamenalo zavedenie väčšieho počtu riadiacich tyčí. Každá riadiaca tyč (alebo zväzok tyčí) zodpovedá zavedeniu zložitého hnacieho mechanizmu. Na jednej strane to zvyšuje náklady a na druhej strane môže otvorenie otvorov v hlave tlakovej nádoby viesť k zníženiu štrukturálnej pevnosti. Nielenže je to neekonomické, ale nie je povolené mať na hlave tlakovej nádoby určitú pórovitosť a štrukturálnu pevnosť. Bez zvýšenia počtu riadiacich tyčí je však potrebné zvýšiť koncentráciu chemických kompenzačných toxínov (ako je kyselina boritá), aby sa kompenzovala zvyšková reaktivita. V tomto prípade je ľahké, aby koncentrácia bóru prekročila prahovú hodnotu a teplotný koeficient moderátora sa stal kladným.
Aby sa predišlo vyššie uvedeným problémom, na reguláciu sa vo všeobecnosti môže použiť kombinácia horľavých toxínov, regulačných tyčí a chemickej kompenzačnej regulácie.
(2) Ako dopant na zvýšenie výkonu konštrukčných materiálov reaktora
Reaktory vyžadujú, aby konštrukčné komponenty a palivové články mali určitú úroveň pevnosti, odolnosti proti korózii a vysokej tepelnej stability a zároveň zabránili vniknutiu produktov štiepenia do chladiva.
1) .Oceľ vzácnych zemín
Jadrový reaktor má extrémne fyzikálne a chemické podmienky a každá zložka reaktora má tiež vysoké požiadavky na použitú špeciálnu oceľ. Prvky vzácnych zemín majú špeciálne modifikačné účinky na oceľ, najmä vrátane čistenia, metamorfózy, mikrolegovania a zlepšenia odolnosti proti korózii. Ocele obsahujúce vzácne zeminy sa tiež široko používajú v jadrových reaktoroch.
① Čistiaci účinok: Existujúci výskum ukázal, že vzácne zeminy majú dobrý čistiaci účinok na roztavenú oceľ pri vysokých teplotách. Je to preto, že vzácne zeminy môžu reagovať so škodlivými prvkami, ako je kyslík a síra, v roztavenej oceli za vzniku vysokoteplotných zlúčenín. Vysokoteplotné zlúčeniny sa môžu vyzrážať a uvoľňovať vo forme inklúzií predtým, ako roztavená oceľ skondenzuje, čím sa znižuje obsah nečistôt v roztavenej oceli.
② Metamorfóza: na druhej strane, oxidy, sulfidy alebo oxysulfidy vznikajúce reakciou vzácnych zemín v roztavenej oceli so škodlivými prvkami, ako je kyslík a síra, môžu byť čiastočne zadržané v roztavenej oceli a stať sa inklúziami ocele s vysokým bodom topenia. Tieto inklúzie môžu byť použité ako heterogénne nukleačné centrá počas tuhnutia roztavenej ocele, čím sa zlepšuje tvar a štruktúra ocele.
③ Mikrolegovanie: ak sa pridávanie vzácnych zemín ďalej zvýši, zostávajúce vzácne zeminy sa po vyššie uvedenom čistení a metamorfóze rozpustia v oceli. Keďže atómový polomer vzácnych zemín je väčší ako polomer atómu železa, vzácne zeminy majú vyššiu povrchovú aktivitu. Počas procesu tuhnutia roztavenej ocele sa prvky vzácnych zemín obohacujú na hraniciach zŕn, čo môže lepšie znížiť segregáciu nečistôt na hraniciach zŕn, čím sa spevňuje tuhý roztok a zohráva sa úloha mikrolegovania. Na druhej strane, vďaka vlastnostiam vzácnych zemín, ktoré umožňujú ukladanie vodíka, môžu absorbovať vodík v oceli, čím účinne zlepšujú jav vodíkového krehnutia ocele.
④ Zlepšenie odolnosti proti korózii: Pridanie prvkov vzácnych zemín môže tiež zlepšiť odolnosť ocele proti korózii. Je to preto, že vzácne zeminy majú vyšší potenciál samokorózie ako nehrdzavejúca oceľ. Pridanie vzácnych zemín preto môže zvýšiť potenciál samokorózie nehrdzavejúcej ocele, čím sa zlepší jej stabilita v korozívnych prostrediach.
2). Kľúčová patentová štúdia
Kľúčový patent: patent na vynález nízkoaktivačnej ocele spevnenej disperziou oxidov a spôsobu jej prípravy od Inštitútu kovov Čínskej akadémie vied
Abstrakt patentu: Poskytuje sa nízkoaktivačná oceľ spevnená oxidovou disperziou vhodná pre fúzne reaktory a spôsob jej prípravy, vyznačujúca sa tým, že percento legujúcich prvkov v celkovej hmotnosti nízkoaktivačnej ocele je: matrica je 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 % a 0,05 % ≤ Y2O3 ≤ 0,5 %.
Výrobný proces: tavenie základnej zliatiny Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomizácia prášku, vysokoenergetické guľové mletie základnej zliatiny aNanočastice Y2O3zmiešaný prášok, extrakcia obalením prášku, tuhnutie vstrekovaním, valcovanie za tepla a tepelné spracovanie.
Metóda pridávania vzácnych zemín: Pridanie nanoškályY2O3častice do atomizovaného prášku základnej zliatiny pre vysokoenergetické mletie v guľkách, pričom mlecím médiom sú zmiešané tvrdé oceľové guľky s priemerom Φ 6 a Φ 10, s atmosférou mletia guľiek s 99,99 % argónu, hmotnostným pomerom materiálu guľky (8-10): 1, dobou mletia guľiek 40-70 hodín a rýchlosťou otáčania 350-500 ot./min.
3). Používa sa na výrobu materiálov na ochranu pred neutrónovým žiarením
① Princíp ochrany pred neutrónovým žiarením
Neutróny sú zložky atómových jadier so statickou hmotnosťou 1,675 × 10⁻²⁻²⁷ kg, čo je 1838-násobok elektrónovej hmotnosti. Ich polomer je približne 0,8 × 10⁻¹⁰ m, čo je podobná veľkosť ako protón, podobne ako γ žiarenie, ktoré je rovnako nenabité. Keď neutróny interagujú s hmotou, interagujú hlavne s jadrovými silami vo vnútri jadra a neinteragujú s elektrónmi vo vonkajšom obale.
S rýchlym rozvojom jadrovej energie a technológie jadrových reaktorov sa čoraz väčšia pozornosť venuje bezpečnosti jadrového žiarenia a ochrane pred jadrovým žiarením. S cieľom posilniť radiačnú ochranu operátorov, ktorí sa dlhodobo zaoberajú údržbou radiačných zariadení a záchranou pri nehodách, má veľký vedecký a ekonomický význam vývoj ľahkých tieniacich kompozitov pre ochranné odevy. Neutrónové žiarenie je najdôležitejšou súčasťou žiarenia jadrového reaktora. Vo všeobecnosti sa väčšina neutrónov, ktoré sú v priamom kontakte s ľuďmi, po pôsobení tieniaceho účinku konštrukčných materiálov vo vnútri jadrového reaktora spomalí na nízkoenergetické neutróny. Nízkoenergetické neutróny sa elasticky zrážajú s jadrami s nižším atómovým číslom a naďalej sú moderované. Moderované tepelné neutróny sú absorbované prvkami s väčšími prierezmi absorpcie neutrónov a nakoniec sa dosiahne tienenie neutrónov.
② Kľúčová patentová štúdia
Pórovité a organicko-anorganické hybridné vlastnostiprvok vzácnych zemíngadolíniumMateriály na báze kovovo-organického skeletu zvyšujú svoju kompatibilitu s polyetylénom, čo podporuje vyšší obsah a disperziu gadolínia v syntetizovaných kompozitných materiáloch. Vysoký obsah a disperzia gadolínia priamo ovplyvňujú vlastnosti kompozitných materiálov pri tienení neutrónov.
Kľúčový patent: Hefei Institute of Material Science, Čínska akadémia vied, patent na vynález kompozitného ochranného materiálu s organickou štruktúrou na báze gadolínia a spôsob jeho prípravy
Abstrakt patentu: Kompozitný ochranný materiál na báze kovového organického skeletu na báze gadolínia je kompozitný materiál vytvorený zmiešanímgadolíniumKovovo-organický skeletový materiál na báze polyetylénu v hmotnostnom pomere 2:1:10 a jeho tvarovanie odparovaním rozpúšťadla alebo lisovaním za tepla. Kompozitné tieniace materiály s kovovo-organickým skeletom na báze gadolínia majú vysokú tepelnú stabilitu a schopnosť tienenia tepelných neutrónov.
Výrobný proces: výber rôznychkov gadolíniasoli a organické ligandy na prípravu a syntézu rôznych typov materiálov kovového organického skeletu na báze gadolínia, ich premytie malými molekulami metanolu, etanolu alebo vody centrifugáciou a ich aktivácia pri vysokej teplote vo vákuu, aby sa úplne odstránili zvyškové nezreagované suroviny v póroch materiálov kovového organického skeletu na báze gadolínia; Organokovový skeletový materiál na báze gadolínia pripravený v kroku sa mieša s polyetylénovým lotionom pri vysokej rýchlosti alebo ultrazvukom, alebo sa organokovový skeletový materiál na báze gadolínia pripravený v kroku sa taví s polyetylénom s ultravysokou molekulovou hmotnosťou pri vysokej teplote, kým sa úplne nezmieša; Rovnomerne zmiešaná zmes kovového organického skeletu na báze gadolínia a polyetylénu sa umiestni do formy a vytvorený kompozitný ochranný materiál kovového organického skeletu na báze gadolínia sa získa sušením na podporu odparovania rozpúšťadla alebo lisovaním za tepla; Pripravený kompozitný ochranný materiál kovového organického skeletu na báze gadolínia má výrazne zlepšenú tepelnú odolnosť, mechanické vlastnosti a vynikajúcu schopnosť tienenia tepelných neutrónov v porovnaní s čistými polyetylénovými materiálmi.
Spôsob pridávania vzácnych zemín: Gd2 (BHC)(H2O)6, Gd (BTC)(H2O)4 alebo Gd (BDC)1,5(H2O)2, porézny kryštalický koordinačný polymér obsahujúci gadolínium, ktorý sa získava koordinačnou polymerizáciouGd (NO3)3 • 6H2O alebo GdCl3 • 6H2Oa organický karboxylátový ligand; Veľkosť materiálu s kovovou organickou kostrou na báze gadolínia je 50 nm – 2 μm; Materiály s kovovou organickou kostrou na báze gadolínia majú rôznu morfológiu vrátane granulovaného, tyčinkovitého alebo ihličkovitého tvaru.
(4) AplikáciaSkandiumv rádiochémii a jadrovom priemysle
Škandium má dobrú tepelnú stabilitu a silnú absorpciu fluóru, vďaka čomu je nevyhnutným materiálom v priemysle atómovej energie.
Kľúčový patent: Čínsky inštitút pre rozvoj letectva a kozmonautiky v Pekingu, patent na vynález zliatiny hliníka, zinku a horčíka, škandia a spôsob jej prípravy
Abstrakt patentu: Hliník-zinokzliatina horčíka a škandiaa spôsob jej prípravy. Chemické zloženie a hmotnostné percento zliatiny hliníka, zinku a horčíka v skandiu je: Mg 1,0 % - 2,4 %, Zn 3,5 % - 5,5 %, Sc 0,04 % - 0,50 %, Zr 0,04 % - 0,35 %, nečistoty Cu ≤ 0,2 %, Si ≤ 0,35 %, Fe ≤ 0,4 %, jednotlivé nečistoty ≤ 0,05 %, celkové ostatné nečistoty ≤ 0,15 % a zvyšné množstvo tvorí Al. Mikroštruktúra tohto materiálu zo zliatiny hliníka, zinku a horčíka v skandiu je rovnomerná a jeho vlastnosti sú stabilné, s medzou pevnosti v ťahu viac ako 400 MPa, medzou klzu viac ako 350 MPa a pevnosťou v ťahu viac ako 370 MPa pre zvarové spoje. Materiálové produkty sa môžu použiť ako konštrukčné prvky v leteckom a kozmickom priemysle, jadrovom priemysle, doprave, športových potrebách, zbraniach a iných oblastiach.
Výrobný proces: Krok 1, zložka podľa vyššie uvedeného zloženia zliatiny; Krok 2: Tavenie v taviacej peci pri teplote 700 ℃ ~ 780 ℃; Krok 3: Rafinovanie úplne roztavenej kovovej kvapaliny a udržiavanie teploty kovu v rozsahu 700 ℃ ~ 750 ℃ počas rafinácie; Krok 4: Po rafinácii by sa mal úplne upokojiť; Krok 5: Po úplnom upokojení začnite odlievanie, udržiavajte teplotu pece v rozsahu 690 ℃ ~ 730 ℃ a rýchlosť odlievania je 15 – 200 mm/min; Krok 6: Vykonajte homogenizačné žíhanie ingotu zliatiny v ohrievacej peci s homogenizačnou teplotou 400 ℃ ~ 470 ℃; Krok 7: Odlúpte homogenizovaný ingot a vykonajte horúcu extrúziu na výrobu profilov s hrúbkou steny viac ako 2,0 mm. Počas procesu extrúzie by sa mal polotovar udržiavať pri teplote 350 ℃ až 410 ℃; Krok 8: Stlačenie profilu pre kalenie v roztoku s teplotou roztoku 460 – 480 ℃; Krok 9: Po 72 hodinách kalenia v tuhom roztoku sa vykonalo manuálne nútené starnutie. Systém manuálneho núteného starnutia je: 90 – 110 ℃/24 hodín + 170 – 180 ℃/5 hodín alebo 90 – 110 ℃/24 hodín + 145 – 155 ℃/10 hodín.
5. Súhrn výskumu
Vo všeobecnosti sa vzácne zeminy široko používajú v jadrovej fúzii a štiepení jadra a existuje mnoho patentových prihlášok v technických oblastiach, ako je excitácia röntgenového žiarenia, tvorba plazmy, ľahkovodný reaktor, transurán, uranyl a oxidový prášok. Pokiaľ ide o reaktorové materiály, vzácne zeminy sa môžu použiť ako konštrukčné materiály reaktorov a súvisiace keramické izolačné materiály, kontrolné materiály a materiály na ochranu pred neutrónovým žiarením.
Čas uverejnenia: 26. mája 2023