Aplikácia prvkov vzácnych zemín v jadrových materiáloch

1 、 Definícia jadrových materiálov

V širšom zmysle je jadrový materiál všeobecným pojmom pre materiály používané výlučne v jadrovom priemysle a jadrovom vedeckom výskume vrátane jadrových paliva a materiálov jadrového inžinierstva, tj bez jadrových palivových materiálov.

Bežne označované na jadrové materiály sa vzťahujú hlavne na materiály používané v rôznych častiach reaktora, známe tiež ako reaktorové materiály. Materiály reaktorov zahŕňajú jadrové palivo, ktoré podlieha jadrovému štiepeniu pri bombardovaní neutrónov, opláchnuté materiály pre komponenty jadrového paliva, chladiče, moderátory neutrónov (moderátory), kontrolné materiály tyčiniek, ktoré silne absorbujú neutróny, a reflexné materiály, ktoré bránia úniku neutrónov mimo reaktora.

2 、 Vzťah súvisiaci s CO medzi zdrojmi vzácnych zemín a jadrovými zdrojmi

Monazit, tiež nazývaný fosfocererit a fosfocerit, je spoločným príslušenstvom minerálu v stredne pokročilých kyselinových horninách a metamorfnej hornine. Monazit je jedným z hlavných minerálov kovovej rudy vzácnych zemín a existuje aj v nejakej sedimentárnej hornine. Hnedastá červená, žltá, niekedy hnedastá žltá, s mastným lesklom, úplné štiepenie, tvrdosť MOHS 5-5,5 a špecifická hmotnosť 4,9-5,5.

Hlavným rudným minerálom niektorých ložiskov vzácnych zemín v Číne je monazit, hlavne v Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan a He County, Guangxi. Extrakcia zdrojov zriedkavých zemín typu Placer Type však často nemá ekonomický význam. Solitárne kamene často obsahujú reflexívne prvky tória a sú tiež hlavným zdrojom komerčného plutónu.

3 、 Prehľad aplikácie vzácnych zemín v jadrovej fúzii a jadrovom štiepení na základe patentovej panoramatickej analýzy

Po úplnom rozšírení kľúčových slov prvkov vyhľadávania vzácnych zemín sa kombinujú s rozširujúcimi klávesmi a klasifikačnými číslami jadrového štiepenia a jadrovej fúzie a prehľadávajú sa v databáze Incopt. Dátum vyhľadávania je 24. augusta 2020. 4837 patentov sa získalo po jednoduchom zlúčení rodiny a 4673 patentov bolo stanovených po redukcii umelého hluku.

Aplikácie patentov vzácnych zemín v oblasti jadrového štiepenia alebo jadrovej fúzie sa distribuujú v 56 krajinách/regiónoch, najmä v Japonsku, Číne, Spojených štátoch, Nemecku a Rusku atď. Menný počet patentov sa uplatňuje vo forme PCT, ktoré sa zvyšujú, a to najmä od roku 2009, vstupujú do rýchleho rastu, a Japonsko, Japonsko, Spojené štáty a Rusia (tieto roky v tejto oblasti (tieto roky sa nachádzajú v tejto oblasti (idú. 1).

Obrázok 1 Trend technologických patentov týkajúcich sa uplatňovania zriedkavých zemín v jadrovom jadrovom štiepení a jadrovej fúzie v krajinách/regiónoch

Z analýzy technických tém je zrejmé, že použitie vzácnej zeme v jadrovej fúzii a jadrovom štiepení sa zameriava na palivové prvky, scintilátory, detektory žiarenia, aktinidy, plazmy, jadrové reaktory, tienenie materiálov, neutrónových absorpcie a ďalšie technické smery.

4 、 Špecifické aplikácie a kľúčový patentový výskum prvkov vzácnych zemín v jadrových materiáloch

Medzi nimi sú jadrové fúzie a jadrové štiepne reakcie v jadrových materiáloch intenzívne a požiadavky na materiály sú prísne. V súčasnosti sú energetické reaktory hlavne jadrové štiepne reaktory a fúzne reaktory môžu byť popularizované vo veľkom meradle po 50 rokoch. Uplatňovanievzácna zemprvky v štrukturálnych materiáloch reaktora; V špecifických jadrových chemických poliach sa prvky vzácnych zemín používajú hlavne v kontrolných tyčí; Okrem toho,škrubsa používa aj v rádiochémii a jadrovom priemysle.

（1） ako horľavý jed alebo kontrolná tyč na úpravu hladiny neutrónov a kritického stavu jadrového reaktora

V energetických reaktoroch je počiatočná zvyšková reaktivita nových jadier vo všeobecnosti relatívne vysoká. Najmä v počiatočných fázach prvého cyklu tankovania, keď je nová jadrová palivo v jadre, zostávajúca reaktivita je najvyššia. V tomto bode by sa spoliehanie iba na zvyšovanie kontrolných tyčí, aby sa kompenzovala zvyšková reaktivita, prinieslo viac kontrolných tyčí. Každá kontrolná tyč (alebo zväzok tyčiniek) zodpovedá zavedeniu komplexného hnacieho mechanizmu. Na jednej strane to zvyšuje náklady a na druhej strane, otváranie otvorov v hlave tlakovej nádoby môže viesť k zníženiu štrukturálnej sily. Nielenže je to neekonomické, ale tiež sa nestaví určité množstvo pórovitosti a štrukturálnej pevnosti na hlave tlakovej nádoby. Bez zvýšenia kontrolných tyčí je však potrebné zvýšiť koncentráciu chemických kompenzujúcich toxínov (ako je kyselina boritá), aby sa kompenzovala zostávajúca reaktivita. V tomto prípade je ľahké, aby koncentrácia bóru prekročila prahovú hodnotu a teplotný koeficient moderátora sa stane pozitívnym.

Aby sa predišlo vyššie uvedeným problémom, na kontrolu sa môže všeobecne použiť kombinácia horľavých toxínov, kontrolných tyčí a kontroly chemickej kompenzácie.

（2） ako dopant na zvýšenie výkonnosti štrukturálnych materiálov reaktorov

Reaktory vyžadujú štrukturálne komponenty a palivové prvky, aby mali určitú úroveň pevnosti, odolnosť proti korózii a vysokú tepelnú stabilitu a zároveň zabránilo vniknutiu štiepnych výrobkov do chladiacej kvapaliny.

1).

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, metamorfizmu, mikroalózy a zlepšenia odolnosti proti korózii. V jadrových reaktoroch sa tiež široko používajú ocele obsahujúce vzácnu zem.

① Čistiaci účinok: Existujúci výskum ukázal, že vzácne Zem majú dobrý čistenie na roztavenú oceľ pri vysokých teplotách. Dôvodom je skutočnosť, že vzácne Zem môžu reagovať so škodlivými prvkami, ako je kyslík a síra v roztavenej oceli, aby sa vytvorili zlúčeniny s vysokou teplotou. Vysokoteplotné zlúčeniny sa môžu vyzrážať a vypúšťať vo forme inklúzií pred kondenzáciou roztavenej ocele, čím sa zníži obsah nečistôt v roztavenej oceli.

② Metamorfizmus: Na druhej strane, oxidy, sulfidy alebo oxysulfidy generované reakciou vzácnej Zeme v roztavenej oceli s škodlivými prvkami, ako je kyslík a síra, sa môžu čiastočne zachovať v roztavenej oceli a stať sa inklúziami ocele s vysokým bodom topenia. Tieto inklúzie sa môžu používať ako heterogénne nukleačné centrá počas tuhnutia roztavenej ocele, čím sa zlepšuje tvar a štruktúra ocele.

③ Mikroalóza: Ak sa pridanie vzácnej Zeme ďalej zvýši, zostávajúca vzácna zem sa rozpustí v oceli po vyššie uvedenom čistení a metamorfizme. Pretože atómový polomer vzácnej Zeme je väčší ako v atóme železa, vzácna zem má vyššiu povrchovú aktivitu. Počas procesu tuhnutia roztavenej ocele sú prvky vzácnych zemín obohatené na hranici zŕn, ktoré môžu lepšie znížiť segregáciu prvkov nečistoty na hranici zŕn, čím sa posilňujú pevné roztoky a zohrávajú úlohu mikroalózy. Na druhej strane, kvôli charakteristikám skladovania vodíka vzácnych zemín môžu absorbovať vodík v oceli, čím účinne zlepšujú jav ocele vodíka.

④ Zlepšenie odolnosti proti korózii: Pridanie prvkov vzácnych zemín môže tiež zlepšiť odolnosť ocele korózie. Dôvodom je, že vzácne Zem majú vyšší potenciál sebak korózie ako nehrdzavejúca oceľ. Preto môže pridanie vzácnych zemín zvýšiť potenciál samovznodajky z nehrdzavejúcej ocele, čím sa zlepší stabilita ocele v korozívnych médiách.

2). Kľúčové štúdium patentov

Kľúčový patent: vynálezový patent na oxidovú disperziu posilnil nízku aktivačnú oceľ a jej metóda prípravy inštitútom kovov, Čínska akadémia vied

Abstrakt patentu: Poskytnuté je disperzia oxidu posilnená nízka aktivačná oceľ vhodná pre fúzne reaktory a jej metóda prípravy, ktorá sa vyznačuje tým, že percento zliatinových prvkov v celkovej hmotnosti nízkej aktivačnej ocele je: matrica je Fe, 0,08% ≤ c ≤ 0,15%, 8,0% ≤ CR <10,0%, 1,1% ≤ Ta ≤ 0,2%, 0,1 ≤ Mn ≤ 0,6%a 0,05%≤ Y2O3 ≤ 0,5%.

Výrobný proces: FE-CR-WV-TA-MN Matka zliatba tavenia, atomizácia prášku, vysokoenergetické mletie guľôčkovej zliatiny matky aNanočastice Y2O3Zmiešaný prášok, extrakcia obalu prášku, lišta tuhnutia, valcovanie za horúca a tepelné spracovanie.

Metóda pridávania vzácnych zemín: Pridajte nanoScaleY2O3Častice na materský zliatinový prášok pre vysokoenergetické mletie guľôčkových médií, pričom médium mletia guľôčok je φ 6 a φ 10 zmiešaných guľôčok z tvrdej ocele, s atmosférou mletia guľôčok 99,99% argónového plynu, pomer hmotnosti materiálu guľôčok (8-10): 1, 1, čas frézovania guľôčok 40-70 hodín a rotačná rýchlosť 350-500 R/min.

3）.

① Princíp ochrany neutrónového žiarenia

Neutróny sú zložkami atómových jadier so statickou hmotnosťou 1,675 × 10-27 kg, čo je 1838-násobok elektronickej hmotnosti. Jeho polomer je približne 0,8 x 10-15 m, podobný veľkosti ako protón, podobne ako γ lúče sú rovnako nenáročné. Keď neutróny interagujú s hmotou, interagujú hlavne s jadrovými silami vo vnútri jadra a neinteragujú s elektrónmi vo vonkajšom plášti.

S rýchlym vývojom technológie jadrovej energie a jadrových reaktorov sa čoraz viac pozornosti venovalo bezpečnosti jadrového žiarenia a ochrane jadrového žiarenia. S cieľom posilniť ochranu ožarovania prevádzkovateľov, ktorí sa dlho zaoberali údržbou radiačných zariadení a záchrana nehôd, je veľkým vedeckým významom a ekonomickou hodnotou rozvoja ľahkých tieniacich kompozitov pre ochranné odevy. Neutrónové žiarenie je najdôležitejšou súčasťou žiarenia jadrového reaktora. Všeobecne sa väčšina neutrónov v priamom kontakte s ľudskými bytosťami spomalila na nízkoenergetické neutróny po neutrónovom tieniacom účinku štrukturálnych materiálov vo vnútri jadrového reaktora. Nízkoenergetické neutróny sa zrazia s jadrami s nižším atómovým počtom elasticky a naďalej sa zmierňujú. Moderované tepelné neutróny sa absorbujú prvkami s väčšími prierezmi absorpcie neutrónov a nakoniec sa dosiahne tienenie neutrónov.

② Kľúčové patentové štúdium

Pórovité a organické inorganické hybridné vlastnostiprvok vzácneho ZemegalínyKovové organické kostrové materiály na báze zvyšujú ich kompatibilitu s polyetylénom a podporujú syntetizované kompozitné materiály tak, aby mali vyšší obsah gadolínia a gadolinium disperziu. Vysoký obsah gadolínia a disperzia budú priamo ovplyvniť výkon kompozitných materiálov na tienenie neutrónov.

Kľúčový patent: Hefei Institute of Material Science, Čínska akadémia vied, vynálezový patent na gadolinium organický rámec kompozitný tieniaci materiál a jeho metóda prípravy

Abstrakt patentu: Kovový organický kostrový kompozitný tieniaci materiál na báze gadolínia je kompozitný materiál tvorený zmiešanímgalínyzaložený kovový organický kostrový materiál s polyetylénom v hmotnostnom pomere 2: 1: 10 a jeho tvorba odparovaním rozpúšťadla alebo lisovaním za horúca. Kovové organické skeletonové kompozitné tieniace materiály na báze gadolínia majú vysokú tepelnú stabilitu a schopnosť tienenia tepelného neutrónov.

Výrobný proces: výber rôznychkovsoli a organické ligandy na prípravu a syntézu rôznych typov kovových kostrových materiálov na báze gadolínia, umývanie ich malými molekulami metanolu, etanolu alebo vody odstredením a ich aktivácia pri vysokej teplote pri vakuových podmienkach na úplné odstránenie zvyškových surovín v potrubiach gadolínu na základe kovového organického organického kostru; Organometalický kostrový materiál na báze gadolínia pripravený v kroku sa mieša s polyetylénovým lotivom pri vysokej rýchlosti alebo ultrazvuku alebo organometalický kostrový materiál na báze gadolínia, ktorý je v kroku, roztopený s ultra vysokou molekulovou hmotnosťou polyetylénu pri vysokej teplote až do úplného zmiešania; Do formy vložte kovový organický kostrový materiál na báze kovového skeletu/polyetylén do formy a získajte tvarovaný kovový organický skeletonový kompozitný materiál na báze gadolínia na báze gadolínia a získajte tvarovaný kovový organický skeletonový kompozitný materiál na báze gadolínia tým, že sušuje, aby sa podporilo odparovanie rozpúšťadla alebo lisovanie horúčavy; Pripravený kovový organický kovový skeletonový tieniaci materiál na báze gadolínia má významne zlepšený tepelný odpor, mechanické vlastnosti a vynikajúcu schopnosť tienenia tepelného neutrónov v porovnaní s čistými polyetylénovými materiálmi.

Režim sčítania vzácnych zemín: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 alebo GD (BDC) 1,5 (H2O) 2 Porézny kryštalický koordinačný polymér obsahujúci gadolinium, ktorý sa získa koordinačnýGD (No3) 3 • 6H2O alebo GDCL3 • 6H2Oa organický karboxylát ligand; Veľkosť kovového organického kostrového materiálu na báze gadolínia je kovové organické kostrové materiály na báze gadolínia na báze kovových organických kostrových materiálov na báze gadolinium, ktoré majú rôzne morfológie, vrátane granulárnych, tvarovaných tvarov v tvare tyče alebo v tvare ihly.

（4） AplikáciaŠkrubv rádiochémii a jadrovom priemysle

Scandium Metal má dobrú tepelnú stabilitu a silný výkon absorpcie fluóru, čo z neho robí nevyhnutný materiál v odvetví atómovej energie.

Kľúčový patent: Čína Aerospace Development Pekinský inštitút leteckých materiálov, vynálezový patent na zliatinu horčíka zinku z hliníka a jeho spôsob prípravy

Abstrakt patentu: hliníkový zinokzliatina horčíkaa jeho metóda prípravy. Chemické zloženie a percentuálny podiel zliatiny horčíka hliníka zinočnatého zinočnatého sú: MG 1,0%-2,4%, Zn 3,5%-5,5%, SC 0,04%-0,50%, ZR 0,04%-0,3,3%, Iné nečistoty Cu ≤ 0,2%, SI ≤ 0,35% 0,15%a zostávajúce množstvo je Al. Mikroštruktúra tohto materiálu zliatiny horčíka hliníka zinočnatého zinočnatého je rovnomerná a jeho výkon je stabilný, s konečnou pevnosťou v ťahu viac ako 400 mPa, výťažkovou pevnosťou viac ako 350 mPa a pevnosťou v ťahu viac ako 370 mPa pre zvárané kĺby. Materiálne výrobky sa môžu používať ako štrukturálne prvky v leteckom priemysle, jadrovom priemysle, doprave, športovom tovaru, zbraniach a iných oblastiach.

Výrobný proces: Krok 1, zložka podľa vyššieho zloženia zliatiny; Krok 2: Roztopte sa v tavnej peci pri teplote 700 ℃ ~ 780 ℃; Krok 3: Vylepšte úplne roztavenú kovovú kvapalinu a počas rafinácie udržiavajte teplotu kovu v rozsahu 700 ℃ ~ 750 ℃; Krok 4: Po rafinácii by sa malo plne nechať stáť v pokoji; Krok 5: Po úplnom státí, začnite odlievať, udržiavať teplotu pece v rozmedzí 690 ℃ ~ 730 ℃ a rýchlosť odlievania je 15-200 mm/minúta; Krok 6: Vykonajte ošetrenie žíhania homogenizácie na zliatine ingot v vykurovacej peci s teplotou homogenizácie 400 ℃ ~ 470 ℃; Krok 7: Odlupujte homogenizovanú ingotu a vykonajte horúcu extrúziu, aby ste vytvorili profily s hrúbkou steny nad 2,0 mm. Počas procesu extrúzie by sa sochor mal udržiavať pri teplote 350 až 410 ℃; Krok 8: Stlačte profil pre ošetrenie ochladzovaním roztoku s teplotou roztoku 460-480 ℃; Krok 9: Po 72 hodinách ochladzovania tuhého roztoku, manuálne vynútenie starnutia. Systém starnutia manuálnej sily je: 90 ~ 110 ℃/24 hodín+170 ~ 180 ℃/5 hodín alebo 90 ~ 110 ℃/24 hodín+145 ~ 155 ℃/10 hodín.

5 、 Zhrnutie výskumu

Celkovo sa vzácne zeminy široko používajú pri jadrovej fúzii a jadrovom štiepení a majú mnoho patentových usporiadaní v takých technických smeroch, ako je excitácia röntgenového žiarenia, tvorba plazmy, reaktor s ľahkou vodou, transuranium, uranyl a oxidový prášok. Pokiaľ ide o materiály reaktorov, vzácne Zem sa môžu použiť ako štrukturálne materiály reaktora a súvisiace keramické izolačné materiály, kontrolné materiály a materiály na ochranu proti neutrónom.