Anvendelse av sjeldne jordelementer i kjernefysiske materialer

1 、 Definisjon av kjernefysiske materialer

I bred forstand er kjernefysisk materiale det generelle betegnelsen for materialer som utelukkende brukes i kjernefysisk industri og kjernevitenskapelig forskning, inkludert kjernebrensel og kjerneknikkmaterialer, dvs. ikke -kjernefysiske drivstoffmaterialer.

De ofte refererte til kjernefysiske materialer refererer hovedsakelig til materialer som brukes i forskjellige deler av reaktoren, også kjent som reaktormaterialer. Reaktormaterialer inkluderer kjernefysisk drivstoff som gjennomgår kjernefysisk fisjon under nøytronbombardement, kledningsmaterialer for kjernefysiske drivstoffkomponenter, kjølevæsker, nøytronmoderatorer (moderatorer), kontrollstangmaterialer som sterkt absorberer nøytroner og reflekterende materialer som forhindrer nøytronlekkasje utenfor reaktoren.

2 、 CO tilknyttet forhold mellom sjeldne jordressurser og atomressurser

Monazite, også kalt fosfococeritt og fosfococeritt, er et vanlig tilbehør mineral i mellomliggende syre stollende berg og metamorf bergart. Monazite er en av de viktigste mineralene i sjelden jordmetallmalm, og eksisterer også i en eller annen sedimentær berg. Brunrød, gul, noen ganger brun gul, med en fet glans, fullstendig spaltning, MOHS-hardhet på 5-5,5, og spesifikk tyngdekraft på 4,9-5,5.

Det viktigste malmmineralet til noen sjeldne jordavsetninger i Kina er monazitt, hovedsakelig lokalisert i Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan og He County, Guangxi. Ekstraksjonen av Rare Earth Resources -ressursene har imidlertid ofte ikke økonomisk betydning. Ensomme steiner inneholder ofte refleksive thoriumelementer og er også den viktigste kilden til kommersielt plutonium.

3 、 Oversikt over sjelden jordpåføring i kjernefusjon og kjernefysisk fisjon basert på patentpanoramaanalyse

Etter at nøkkelordene til sjeldne jordsøkelementer er fullstendig utvidet, er de kombinert med utvidelsesnøklene og klassifiseringstallene for kjernefysisk fisjon og atomfusjon, og søkes i IncoPT -databasen. Søkedatoen er 24. august 2020. 4837 patenter ble oppnådd etter enkel familiens fusjon, og 4673 patenter ble bestemt etter kunstig støyreduksjon.

Sjeldne jordpatentsøknader innen kjernefysisk fisjon eller atomfusjon er fordelt i 56 land/regioner, hovedsakelig konsentrert i Japan, Kina, USA, Tyskland og Russland, etc. Et betydelig antall patenter blir brukt i form av PTCT, som kinesiske patentteknologi -applikasjon 1).

Figur 1 Applikasjonstrend av teknologipatenter relatert til sjelden jordpåføring i kjernefysisk fisjon og kjernefusjon i land/regioner

Det kan sees fra analysen av tekniske temaer at anvendelsen av sjelden jord i kjernefusjon og kjernefysisk fisjon fokuserer på drivstoffelementer, scintillatorer, strålingsdetektorer, aktinider, plasma, atomreaktorer, skjermingsmaterialer, nøytronabsorpsjon og andre tekniske retninger.

4 、 Spesifikke applikasjoner og nøkkelpatentforskning av sjeldne jordelementer i kjernefysiske materialer

Blant dem er kjernefysiske fusjon og kjernefysiske reaksjoner i kjernefysiske materialer intense, og kravene til materialer er strenge. For tiden er kraftreaktorer hovedsakelig kjernefysiske fisjonereaktorer, og fusjonsreaktorer kan populariseres i stor skala etter 50 år. Bruken avsjelden jordelementer i reaktorstrukturelle materialer; I spesifikke kjernefysiske kjemiske felt brukes sjeldne jordelementer hovedsakelig i kontrollstenger; I tillegg,Scandiumhar også blitt brukt i radiokjemi og kjernefysisk industri.

（1） Som brennbar gift eller kontrollstang for å justere nøytronnivå og kritisk tilstand av kjernefysisk reaktor

Hos kraftreaktorer er den innledende restreaktiviteten til nye kjerner generelt relativt høy. Spesielt i de tidlige stadiene av den første tankingssyklusen, når alt kjernebrensel i kjernen er ny, er den gjenværende reaktiviteten den høyeste. På dette tidspunktet ville det å stole utelukkende på økende kontrollstenger for å kompensere for gjenværende reaktivitet innføre flere kontrollstenger. Hver kontrollstang (eller stangbunt) tilsvarer introduksjonen av en kompleks kjøremekanisme. På den ene siden øker dette kostnadene, og på den andre siden kan åpning av hull i trykkfartøyhodet føre til en reduksjon i strukturell styrke. Ikke bare er det uøkonomisk, men det er heller ikke lov til å ha en viss porøsitet og strukturell styrke på trykkfartøyets hode. Uten å øke kontrollstengene er det imidlertid nødvendig å øke konsentrasjonen av kjemisk kompenserende giftstoffer (for eksempel borsyre) for å kompensere for den gjenværende reaktiviteten. I dette tilfellet er det enkelt for borkonsentrasjonen å overstige terskelen, og temperaturkoeffisienten til moderatoren vil bli positiv.

For å unngå de nevnte problemene, kan en kombinasjon av brennbare giftstoffer, kontrollstenger og kjemisk kompensasjonskontroll generelt brukes til kontroll.

（2） som dopingmiddel for å forbedre ytelsen til reaktorstrukturmaterialer

Reaktorer krever strukturelle komponenter og drivstoffelementer for å ha et visst nivå av styrke, korrosjonsmotstand og høy termisk stabilitet, samtidig som de forhindrer at fisjoneringsprodukter kommer inn i kjølevæsken.

1) .rare jordstål

Atomreaktoren har ekstreme fysiske og kjemiske forhold, og hver komponent av reaktoren har også høye krav til det spesielle stålet som brukes. Sjeldne jordelementer har spesielle modifikasjonseffekter på stål, hovedsakelig inkludert rensing, metamorfisme, mikroalloying og forbedring av korrosjonsmotstand. Sjelden jord som inneholder stål er også mye brukt i kjernefysiske reaktorer.

① Rensingseffekt: Eksisterende forskning har vist at sjeldne jordarter har en god rensingseffekt på smeltet stål ved høye temperaturer. Dette er fordi sjeldne jordarter kan reagere med skadelige elementer som oksygen og svovel i det smeltede stålet for å generere høye temperaturforbindelser. Høytemperaturforbindelsene kan utfelles og slippes ut i form av inneslutninger før det smeltede stålet kondenserer, og reduserer dermed urenhetsinnholdet i det smeltede stålet.

② Metamorfisme: På den annen side kan oksydene, sulfidene eller oksysulfider generert ved reaksjon av sjelden jord i det smeltede stålet med skadelige elementer som oksygen og svovel delvis beholdes i det smeltede stålet og bli inneslutninger av stål med høyt smeltepunkt. Disse inneslutningene kan brukes som heterogene nukleasjonssentre under størkning av det smeltede stålet, og dermed forbedre formen og strukturen til stål.

③ Mikroalloying: Hvis tilsetningen av sjelden jord økes ytterligere, vil den gjenværende sjeldne jorden bli oppløst i stålet etter at ovennevnte rensing og metamorfisme er fullført. Siden atomradiusen til sjelden jord er større enn den for jernatom, har sjelden jord høyere overflateaktivitet. Under størkningsprosessen med smeltet stål blir sjeldne jordelementer beriket ved korngrensen, noe som bedre kan redusere segregeringen av urenhetselementer ved korngrensen, og dermed styrke den faste løsningen og spille rollen som mikroalloying. På den annen side, på grunn av hydrogenlagringsegenskapene til sjeldne jordarter, kan de absorbere hydrogen i stål, og dermed effektivt forbedre hydrogenet -omfattende fenomenet stål.

④ Forbedring av korrosjonsmotstand: Tilsetning av sjeldne jordelementer kan også forbedre korrosjonsmotstanden til stål. Dette er fordi sjeldne jordarter har et høyere selvkorrosjonspotensial enn rustfritt stål. Derfor kan tilsetning av sjeldne jordarter øke selvkorrosjonspotensialet til rustfritt stål, og dermed forbedre stabiliteten til stål i etsende medier.

2). Nøkkelpatentstudie

Nøkkelpatent: Oppfinnelsespatent av en oksyddispersjon styrket lavt aktiveringsstål og dens forberedelsesmetode av Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences

Patentabstrakt: Forutsatt er en oksyddispersjon styrket lavt aktiveringsstål egnet for fusjonsreaktorer og dens preparatmetode, karakterisert ved at prosentandelen av legeringselementer i den totale massen til det lave aktiveringsstålet er: Matrisen er Fe, 0,08% ≤ 3% ≤ 0,15%. 0,03%≤ Ta ≤ 0,2%, 0,1 ≤ mn ≤ 0,6%og 0,05%≤ y2O3 ≤ 0,5%.

Produksjonsprosess: Fe-Cr-WV-Ta-MN morlegering, smelte av pulver, pulveromomisering, kulefresing med høy energi av morlegering ogY2O3 nanopartikkelBlandet pulver, pulver omsluttende ekstraksjon, størkningsstøping, varm rulling og varmebehandling.

Sjelden jordtilskuddsmetode: Legg til nanoskalaY2O3Partikler til den foreldrelegerte forstøvede pulveret for kulefresing med høy energi, med kulemasemediet φ 6 og φ 10 blandede harde stålkuler, med en kulefresende atmosfære på 99,99% argongass, et kulemateriale masseforhold på (8-10): 1, en kulefrølingstid på 40-70 timer og en rotasjons hastighet på 350-500 r.

3）. Brukte for å lage nøytronstrålingsbeskyttelsesmaterialer

① Prinsippet om nøytronstrålingsbeskyttelse

Nøytroner er komponenter av atomkjerner, med en statisk masse på 1,675 × 10-27 kg, som er 1838 ganger den elektroniske massen. Radius er omtrent 0,8 × 10-15m, lignende i størrelse som et proton, som ligner på γ-stråler er like uladede. Når nøytroner samhandler med materie, samhandler de hovedsakelig med kjernefysiske krefter inne i kjernen, og samhandler ikke med elektronene i det ytre skallet.

Med den raske utviklingen av kjernefysisk energi og atomreaktorteknologi, har mer og mer oppmerksomhet blitt viet til nukleær strålesikkerhet og atomstrålingsbeskyttelse. For å styrke strålebeskyttelse for operatører som har vært engasjert i vedlikehold av strålingsutstyr og ulykkesredning i lang tid, er det av stor vitenskapelig betydning og økonomisk verdi å utvikle lette skjermingskompositter for beskyttelsesklær. Nøytronstråling er den viktigste delen av atomreaktorstråling. Generelt har de fleste nøytroner i direkte kontakt med mennesker blitt bremset til nøytroner med lav energi etter nøytronskjermingseffekten av strukturelle materialer inne i atomreaktoren. Nøytroner med lav energi vil kollidere med kjerner med lavere atomnummer elastisk og fortsette å bli moderert. De modererte termiske nøytronene vil bli absorbert av elementer med større nøytronabsorpsjonstverrsnitt, og til slutt vil nøytronskjerming oppnås.

② Nøkkelpatentstudie

De porøse og organiske-uorganiske hybridegenskapene tilsjeldent jordelementGadoliniumBaserte organiske skjelettmaterialer øker deres kompatibilitet med polyetylen, og fremmer de syntetiserte komposittmaterialene for å ha høyere gadoliniuminnhold og gadoliniumdispersjon. Det høye gadoliniuminnholdet og spredningen vil direkte påvirke nøytronskjermingsytelsen til de sammensatte materialene.

Nøkkelpatent: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, Invention Patent of a Gadolinium Based Organic Framework Composite Shielding Material and its Preparation Method

Patentsammendrag: Gadoliniumbasert metall organisk skjelettkomposittskjermingsmateriale er et sammensatt materiale dannet ved blandingGadoliniumbasert organisk skjelettmateriale med polyetylen i et vektforhold på 2: 1: 10 og danner det gjennom løsningsmiddelfordamping eller varm pressing. Gadoliniumbasert metall organisk skjelettkomposittskjermingsmaterialer har høy termisk stabilitet og termisk nøytronskjermingsevne.

Produksjonsprosess: Velge annerledesGadoliniummetallsalts and organic ligands to prepare and synthesize different types of gadolinium based metal organic skeleton materials, washing them with small molecules of methanol, ethanol, or water by centrifugation, and activating them at high temperature under vacuum conditions to fully remove the residual unreacted raw materials in the pores of the gadolinium based metal organic skeleton materials; Det gadoliniumbaserte organometalliske skjelettmaterialet fremstilt i trinn blir omrørt med polyetylenlotion med høy hastighet, eller ultrasonisk, eller det gadoliniumbaserte organometalliske skjelettmaterialet fremstilt i trinn smelter sammen med ultrahøy molekylvekt polyetylen i høy temperatur til full blandet; Plasser det jevnt blandede gadoliniumbaserte metall organisk skjelettmateriale/polyetylenblanding i formen, og oppnå det dannede gadoliniumbaserte metall organisk skjelettkomposittskjermingsmateriale ved å tørke for å fremme fordampning av løsningsmiddel eller varm pressing; Det forberedte gadoliniumbaserte metall organisk skjelettkomposittskjermingsmateriale har betydelig forbedret varmebestandighet, mekaniske egenskaper og overlegen termisk nøytronskjermingsevne sammenlignet med rene polyetylenmaterialer.

Sjelden jordtilsetningsmodus: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 eller GD (BDC) 1,5 (H2O) 2 porøs krystallinsk koordinasjonspolymer som inneholder gadolinium, som er oppnådd ved koordinasjonspolymerisering avGD (NO3) 3 • 6H2O eller GDCL3 • 6H2Oog organisk karboksylatligand; Størrelsen på gadoliniumbasert metall organisk skjelettmateriale er 50nm-2 μ m ； gadoliniumbasert metall organiske skjelettmaterialer har forskjellige morfologier, inkludert granulære, stavformede eller nålformede former.

（4） Påføring avScandiuminnen radiokjemi og kjernefysisk industri

Skandiummetall har god termisk stabilitet og sterk fluorabsorpsjonsytelse, noe som gjør det til et uunnværlig materiale i atomenergiindustrien.

Nøkkelpatent: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, Invention Patent for a Aluminium Zinc Magnesium Scandium Alloy og dens forberedelsesmetode

Patentabstrakt: En aluminiumsinkMagnesiumskandiumlegeringog dens forberedelsesmetode. Den kjemiske sammensetningen og vektprosenten av aluminiumsinkmagnesiumskandiumlegering er: Mg 1,0%-2,4%, Zn 3,5%-5,5%, SC 0,04%-0,50%, Zr 0,04%-0,3%, annen impuriteter Cu ≤ 0,2, singelen ≤ 0,5%, annet ≤ 0,4%, annen, annen vilje, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen, annen? 0,15%, og det gjenværende beløpet er AL. Mikrostrukturen til dette aluminiumsinkmagnesiumskandiumlegeringsmaterialet er ensartet og ytelsen er stabil, med en ultimate strekkfasthet på over 400MPa, en avkastningsstyrke på over 350MPa, og en strekkfasthet på over 370MPa for sveisede ledd. Materialproduktene kan brukes som strukturelle elementer innen luftfart, kjernefysisk industri, transport, sportsutstyr, våpen og andre felt.

Produksjonsprosess: Trinn 1, ingrediens i henhold til ovennevnte legeringssammensetning; Trinn 2: Smelt i smelteovnen ved en temperatur på 700 ℃ ~ 780 ℃; Trinn 3: Avgrens den fullstendig smeltede metallvæsken, og hold metalltemperaturen innenfor området 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​under raffinering; Trinn 4: Etter raffinering skal det være fullt tillatt å stå stille; Trinn 5: Etter å ha støpt støpe, hold ovnstemperaturen i området 690 ℃ ~ 730 ℃, og støpehastigheten er 15-200mm/minutt; Trinn 6: Utfør homogeniseringsglødningsbehandling på legeringen i varmeovnen, med en homogeniseringstemperatur på 400 ℃ ~ 470 ℃; Trinn 7: Skrell den homogeniserte ingot og utfør varm ekstrudering for å produsere profiler med en veggtykkelse på over 2,0 mm. Under ekstruderingsprosessen skal billeten opprettholdes ved en temperatur på 350 ℃ til 410 ℃; Trinn 8: Klem profilen for å slukke behandling, med en løsningstemperatur på 460-480 ℃; Trinn 9: Etter 72 timer med fast løsning som slukker, tvang manuelt aldring. Det manuelle styringssystemet er: 90 ~ 110 ℃/24 timer+170 ~ 180 ℃/5 timer, eller 90 ~ 110 ℃/24 timer+145 ~ 155 ℃/10 timer.

5 、 Forskningssammendrag

I det store og hele er sjeldne jordarter mye brukt i kjernefusjon og kjernefysisk fisjon, og har mange patentoppsett i så tekniske retninger som røntgeneksitasjon, plasmadannelse, lysevannsreaktor, transuran, uranyl og oksidpulver. Når det gjelder reaktormaterialer, kan sjeldne jordarter brukes som reaktorstrukturelle materialer og relaterte keramiske isolasjonsmaterialer, kontrollmaterialer og nøytronstrålingsbeskyttelsesmaterialer.