1, Definícia jadrových materiálov
V širšom zmysle je jadrový materiál všeobecným pojmom pre materiály používané výlučne v jadrovom priemysle a jadrovom vedeckom výskume vrátane jadrového paliva a materiálov jadrového inžinierstva, tj nejadrových palivových materiálov.
Bežne označované ako jadrové materiály sa týkajú hlavne materiálov používaných v rôznych častiach reaktora, tiež známych ako materiály reaktorov. Materiály reaktorov zahŕňajú jadrové palivo, ktoré podlieha jadrovému štiepeniu pri bombardovaní neutrónmi, 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、 Spolu súvisiaci vzťah medzi zdrojmi vzácnych zemín a jadrovými zdrojmi
Monazit, tiež nazývaný fosfocerit a fosfocerit, je bežným pomocným minerálom v stredne kyslých vyvrelých horninách a metamorfovaných horninách. Monazit je jedným z hlavných minerálov kovov vzácnych zemín a existuje aj v niektorých sedimentárnych horninách. Hnedočervená, žltá, niekedy hnedožltá, s mastným leskom, kompletným štiepením, tvrdosťou podľa Mohsa 5-5,5 a špecifickou hmotnosťou 4,9-5,5.
Hlavným rudným minerálom niektorých ložísk vzácnych zemín v Číne je monazit, ktorý sa nachádza hlavne v Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan a He County, Guangxi. Ťažba zdrojov vzácnych zemín typu rozsypávača však často nemá ekonomický význam. Solitárne kamene často obsahujú reflexné prvky tória a sú tiež hlavným zdrojom komerčného plutónia.
3、 Prehľad aplikácií vzácnych zemín pri jadrovej fúzii a jadrovom štiepení na základe patentovej panoramatickej analýzy
Po úplnom rozšírení kľúčových slov prvkov vyhľadávania vzácnych zemín sa tieto kombinujú s kľúčmi rozšírenia a klasifikačnými číslami jadrového štiepenia a jadrovej fúzie a vyhľadajú sa v databáze Incopt. Dátum vyhľadávania je 24. august 2020. Po jednoduchom zlúčení rodiny bolo získaných 4837 patentov a po umelom znížení hluku bolo určených 4673 patentov.
Patentové prihlášky vzácnych zemín v oblasti jadrového štiepenia alebo jadrovej fúzie sú distribuované v 56 krajinách/regiónoch, sústredené najmä v Japonsku, Číne, Spojených štátoch, Nemecku a Rusku atď. Značný počet patentov sa uplatňuje vo forme PCT , ktorých prihlášky čínskych patentových technológií pribúdajú najmä od roku 2009 a vstupujú do fázy rýchleho rastu a Japonsko, Spojené štáty americké a Rusko pokračujú v usporiadaní v tejto oblasti už mnoho rokov (obrázok 1).
Obrázok 1 Trend uplatňovania technologických patentov súvisiacich s aplikáciou vzácnych zemín pri jadrovom štiepení a jadrovej fúzii v krajinách/regiónoch
Z analýzy technických tém je vidieť, že aplikácia vzácnych zemín v jadrovej fúzii a jadrovom štiepení sa zameriava na palivové články, scintilátory, detektory žiarenia, aktinidy, plazmy, jadrové reaktory, tieniace 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 jadrového štiepenia v jadrových materiáloch a požiadavky na materiály sú prísne. V súčasnosti sú energetickými reaktormi hlavne jadrové štiepne reaktory a fúzne reaktory sa môžu vo veľkom spopularizovať po 50 rokoch. Aplikáciavzácnych zemínprvky v materiáloch konštrukcie reaktorov; V špecifických oblastiach jadrových chemikálií sa prvky vzácnych zemín používajú hlavne v regulačných tyčiach; okrem tohoskandiumsa používa aj v rádiochémii a jadrovom priemysle.
（1） Ako horľavý jed alebo regulačná tyč na nastavenie úrovne neutrónov a kritického stavu jadrového reaktora
V energetických reaktoroch je počiatočná zvyšková reaktivita nových aktívnych zón vo všeobecnosti relatívne vysoká. Najmä v počiatočných fázach prvého cyklu výmeny paliva, keď je všetko jadrové palivo v aktívnej zóne nové, je zvyšná reaktivita najvyššia. V tomto bode by sa spoliehanie len na zvýšenie kontrolných tyčí na kompenzáciu zvyškovej reaktivity zaviedlo viac kontrolných tyčí. Každá riadiaca tyč (alebo zväzok tyčí) zodpovedá zavedeniu zložitého hnacieho mechanizmu. Na jednej strane to zvyšuje náklady a na druhej strane otváranie otvorov v hlave tlakovej nádoby môže viesť k zníženiu pevnosti konštrukcie. Nielenže je to neekonomické, ale tiež nie je dovolené mať na hlave tlakovej nádoby určitú pórovitosť a štrukturálnu pevnosť. Avšak bez zvýšenia kontrolných tyčí je potrebné zvýšiť koncentráciu chemických kompenzujúcich toxínov (ako je kyselina boritá), aby sa kompenzovala zostávajúca reaktivita. V tomto prípade je ľahké, že koncentrácia bóru prekročí prahovú hodnotu a teplotný koeficient moderátora bude pozitívny.
Aby sa predišlo vyššie uvedeným problémom, na kontrolu sa môže vo všeobecnosti použiť kombinácia horľavých toxínov, regulačných tyčí a regulácie chemickej kompenzácie.
(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, pričom zároveň zabraňujú prenikaniu štiepnych produktov do chladiva.
1) .Oceľ vzácnych zemín
Jadrový reaktor má extrémne fyzikálne a chemické podmienky a každý komponent 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 voči korózii. Ocele obsahujúce vzácne zeminy sú tiež široko používané 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 zlúčenín s vysokou teplotou. Vysokoteplotné zlúčeniny sa môžu vyzrážať a vypúšťať vo forme inklúzií pred kondenzáciou roztavenej ocele, čím sa znižuje obsah nečistôt v roztavenej oceli.
② Metamorfizmus: na druhej strane oxidy, sulfidy alebo oxysulfidy generované 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 vysokou teplotou 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, zostávajúca vzácna zemina sa rozpustí v oceli po dokončení vyššie uvedeného čistenia a metamorfózy. Pretože atómový polomer vzácnych zemín je väčší ako atóm železa, má vzácna zemina vyššiu povrchovú aktivitu. Počas procesu tuhnutia roztavenej ocele sa na hranici zŕn obohacujú prvky vzácnych zemín, ktoré môžu lepšie znížiť segregáciu prvkov nečistôt na hranici zŕn, čím sa spevňuje tuhý roztok a zohráva úlohu mikrolegovania. Na druhej strane, vďaka vlastnostiam ukladania vodíka vzácnych zemín 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 vlastnej korózie ako nehrdzavejúca oceľ. Preto pridanie vzácnych zemín môže zvýšiť potenciál vlastnej korózie nehrdzavejúcej ocele, čím sa zlepší stabilita ocele v korozívnych médiách.
2). Kľúčová patentová štúdia
Kľúčový patent: patent na vynález nízkoaktivačnej ocele spevnenej oxidovou disperziou a spôsob jej prípravy Inštitútom kovov, Čínska akadémia vied
Abstrakt patentu: Poskytuje sa oxidovou disperziou spevnená oceľ s nízkou aktiváciou vhodná pre fúzne reaktory a spôsob jej prípravy, vyznačujúci sa tým, že percento legujúcich prvkov v celkovej hmotnosti ocele s nízkou aktiváciou 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 % < Y203 < 0,5 %.
Výrobný proces: tavenie základnej zliatiny Fe-Cr-WV-Ta-Mn, prášková atomizácia, vysokoenergetické guľové mletie základnej zliatiny aNanočastice Y2O3zmiešaný prášok, extrakcia obalením prášku, tuhnutie, valcovanie za tepla a tepelné spracovanie.
Metóda pridávania vzácnych zemín: Pridajte nanomateriályY203častice do atomizovaného prášku základnej zliatiny na vysokoenergetické guľové mletie, pričom médium na guľové mletie sú Φ 6 a Φ 10 zmiešané guľôčky z tvrdej ocele, s guľovou mlecou atmosférou 99,99 % argónového plynu, hmotnostný pomer guľového materiálu (8- 10): 1, čas guľového mletia 40-70 hodín a rýchlosť 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 × 10-27 kg, čo je 1838-násobok hmotnosti elektroniky. Jeho polomer je približne 0,8 × 10-15 m, veľkosťou podobná protónu, podobne ako γ Lúče sú 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 stále viac pozornosti venuje jadrovej radiačnej bezpečnosti a ochrane pred jadrovou radiáciou. S cieľom posilniť radiačnú ochranu operátorov, ktorí sa dlhodobo zaoberajú údržbou radiačných zariadení a záchranou pri nehodách, má veľký vedecký význam a ekonomickú hodnotu vyvinúť ľahké tieniace kompozity pre ochranné odevy. Neutrónové žiarenie je najdôležitejšou súčasťou žiarenia jadrového reaktora. Vo všeobecnosti sa väčšina neutrónov v priamom kontakte s ľuďmi spomalila na neutróny s nízkou energiou po tienení neutrónov konštrukčnými materiálmi vo vnútri jadrového reaktora. Nízkoenergetické neutróny sa budú elasticky zrážať s jadrami s nižším atómovým číslom a budú naďalej moderované. Moderované tepelné neutróny budú absorbované prvkami s väčšími prierezmi absorpcie neutrónov a nakoniec sa dosiahne tienenie neutrónov.
② Kľúčová patentová štúdia
Pórovité a organicko-anorganické hybridné vlastnostiprvok vzácnych zemíngadolíniumkovové organické skeletové materiály zvyšujú svoju kompatibilitu s polyetylénom, čím podporujú syntetizované kompozitné materiály, aby mali vyšší obsah gadolínia a disperziu gadolínia. Vysoký obsah gadolínia a disperzia priamo ovplyvnia účinnosť tienenia neutrónov kompozitných materiálov.
Kľúčový patent: Hefei Institute of Material Science, Čínska akadémia vied, patent na vynález organického kostrového kompozitného tieniaceho materiálu na báze gadolínia a spôsob jeho prípravy
Patentový abstrakt: Kompozitný tieniaci materiál s kovovou organickou kostrou na báze gadolínia je kompozitný materiál vytvorený zmiešanímgadolíniumkovový organický skeletový materiál s polyetylénom v hmotnostnom pomere 2:1:10 a jeho formovanie odparovaním rozpúšťadla alebo lisovaním za tepla. Kompozitné tieniace materiály kovového organického skeletu na báze gadolínia majú vysokú tepelnú stabilitu a schopnosť tieniť tepelné neutróny.
Výrobný proces: výber rôznychkov gadolíniumsoli a organické ligandy na prípravu a syntézu rôznych typov kovových organických skeletových materiálov na báze gadolínia, ich premytím malými molekulami metanolu, etanolu alebo vody odstredením a ich aktiváciou pri vysokej teplote vo vákuu, aby sa úplne odstránili zvyškové nezreagované suroviny v póroch kovových organických kostrových materiálov 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 mieša v tavenine s polyetylénom s ultravysokou molekulovou hmotnosťou pri vysokej teplote až do úplného premiešania; Umiestnite rovnomerne zmiešanú zmes kovového organického skeletového materiálu na báze gadolínia/polyetylénu do formy a získajte vytvorený kompozitný tieniaci materiál na báze gadolínia na báze kovového organického skeletu sušením, aby sa podporilo odparovanie rozpúšťadla alebo lisovanie za tepla; Pripravený kompozitný tieniaci materiál z 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.
Režim pridávania vzácnych zemín: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 alebo Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 pórovitý kryštalický koordinačný polymér obsahujúci gadolínium, ktorý sa získava koordinačnou polymerizáciouGd (N03)3 • 6H20 alebo GdCl3 • 6H20a organický karboxylátový ligand; Veľkosť kovového organického kostrového materiálu na báze gadolínia je 50nm-2 μm； Kovové organické kostrové materiály na báze gadolínia majú rôzne morfológie, vrátane zrnitých, tyčovitých alebo ihličkovitých tvarov.
(4) AplikáciaScandiumv rádiochémii a jadrovom priemysle
Kov Scandium má dobrú tepelnú stabilitu a silnú absorpciu fluóru, čo z neho robí nepostrádateľný materiál v priemysle atómovej energie.
Kľúčový patent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, patent na vynález zliatiny hliníka a zinku a horčíka skandium a spôsob jej prípravy
Abstrakt patentu: Hliník zinokzliatina horčíka a skandiaa spôsob jeho prípravy. Chemické zloženie a hmotnostné percento zliatiny hliník zinok a horčík skandium sú: 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 %, ostatné nečistoty jednotlivé ≤ 0,05 %, ostatné nečistoty spolu ≤ 0,15 %, a zvyšné množstvo je Al. Mikroštruktúra tohto materiálu zo zliatiny hliníka a zinku a horčíka skandium je jednotná a jej výkon je stabilný, s medzou pevnosti v ťahu nad 400 MPa, medzou klzu nad 350 MPa a pevnosťou v ťahu nad 370 MPa pre zvárané spoje. Materiálové produkty môžu byť použité ako konštrukčné prvky v letectve, jadrovom priemysle, doprave, športovom tovare, zbraniach a iných oblastiach.
Výrobný proces: Krok 1, prísada podľa vyššie uvedeného zloženia zliatiny; Krok 2: Tavte v taviacej peci pri teplote 700 ℃ ~ 780 ℃; Krok 3: Upravte úplne roztavenú kovovú kvapalinu a počas rafinácie udržujte teplotu kovu v rozsahu 700 ℃ ~ 750 ℃; Krok 4: Po rafinácii by sa malo nechať úplne stáť; Krok 5: Po úplnom odstavení začnite odlievať, udržiavajte teplotu pece v rozsahu 690 ℃ ~ 730 ℃ a rýchlosť liatia je 15-200 mm/min. Krok 6: Vykonajte homogenizačné žíhanie zliatinového ingotu vo vyhrievacej peci s teplotou homogenizácie 400 ℃ ~ 470 ℃; Krok 7: Odlúpnite homogenizovaný ingot a vykonajte extrúziu za tepla, aby ste vytvorili profily s hrúbkou steny nad 2,0 mm. Počas procesu extrúzie by mal byť predvalok udržiavaný pri teplote 350 ℃ až 410 ℃; Krok 8: Stlačte profil na ošetrenie kalením v roztoku s teplotou roztoku 460-480 ℃; Krok 9: Po 72 hodinách ochladzovania v tuhom roztoku manuálne vynútiť starnutie. Systém manuálneho silového starnutia je: 90~110 ℃/24 hodín + 170~180 ℃/5 hodín alebo 90~110 ℃/24 hodín + 145~155 ℃/10 hodín.
5, Súhrn výskumu
Celkovo sa vzácne zeminy široko používajú pri jadrovej fúzii a jadrovom štiepení a majú mnoho patentových usporiadaní v takých technických smeroch, ako je röntgenová excitácia, tvorba plazmy, ľahkovodný reaktor, transurán, uranyl a oxidový prášok. Čo sa týka materiálov reaktorov, vzácne zeminy možno použiť ako konštrukčné materiály reaktora a súvisiace keramické izolačné materiály, kontrolné materiály a materiály na ochranu pred neutrónovým žiarením.
Čas odoslania: 26. mája 2023