Anvendelse av sjeldne jordartsmetaller i kjernefysiske materialer

1. Definisjon av kjernefysiske materialer

I bred forstand er kjernefysisk materiale den generelle betegnelsen på materialer som utelukkende brukes i kjernefysisk industri og kjernefysisk forskning, inkludert kjernefysisk brensel og kjernefysiske tekniske materialer, dvs. ikke-kjernefysiske brenselmaterialer.

De ofte omtalte betegnelsene kjernefysiske materialer refererer hovedsakelig til materialer som brukes i ulike deler av reaktoren, også kjent som reaktormaterialer. Reaktormaterialer inkluderer kjernefysisk brensel som gjennomgår kjernefysisk fisjon under nøytronbombardement, kledningsmaterialer for kjernefysiske brenselkomponenter, kjølevæsker, nøytronmoderatorer, kontrollstangmaterialer som absorberer nøytroner sterkt, og reflekterende materialer som forhindrer nøytronlekkasje utenfor reaktoren.

2. Samarbeidet mellom sjeldne jordartsressurser og kjernefysiske ressurser

Monazitt, også kalt fosfoceritt og fosfoceritt, er et vanlig hjelpemineral i mellomliggende sur magmatisk bergart og metamorf bergart. Monazitt er et av hovedmineralene i sjeldne jordartsmetaller, og finnes også i noe sedimentær bergart. Brunrød, gul, noen ganger brungul, med en fet glans, fullstendig spalting, Mohs-hardhet på 5–5,5 og spesifikk vekt på 4,9–5,5.

Det viktigste malmmineralet i noen placer-type sjeldne jordartsforekomster i Kina er monazitt, hovedsakelig lokalisert i Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan og He fylke, Guangxi. Utvinning av placer-type sjeldne jordartsressurser har imidlertid ofte ikke økonomisk betydning. Solitære steiner inneholder ofte refleksive thoriumelementer og er også den viktigste kilden til kommersielt plutonium.

3. Oversikt over anvendelsen av sjeldne jordarter i kjernefusjon og kjernefysisk fisjon basert på patentert panoramaanalyse

Etter at nøkkelordene for søkeelementer for sjeldne jordarter er fullstendig utvidet, kombineres de med utvidelsesnøklene og klassifiseringsnumrene for kjernefysisk fisjon og kjernefusjon, og søkes i Incopt-databasen. Søkedatoen er 24. august 2020. 4837 patenter ble innhentet etter enkel familiefusjon, og 4673 patenter ble bestemt etter kunstig støyreduksjon.

Søknader om patent på sjeldne jordarter innen kjernefysisk fisjon eller kjernefusjon er fordelt i 56 land/regioner, hovedsakelig konsentrert i Japan, Kina, USA, Tyskland og Russland, osv. Et betydelig antall patenter søkes i form av PCT, hvorav kinesiske patentsøknader har økt, spesielt siden 2009, og har gått inn i en rask vekstfase, og Japan, USA og Russland har fortsatt å legge til rette for dette feltet i mange år (figur 1).

Figur 1 Anvendelsestrend for teknologipatenter relatert til anvendelse av sjeldne jordarter i kjernefysisk fisjon og kjernefusjon i land/regioner

Det kan sees fra analysen av tekniske temaer at anvendelsen av sjeldne jordarter i kjernefusjon og kjernefisjon fokuserer på brenselelementer, scintillatorer, strålingsdetektorer, aktinider, plasmaer, kjernereaktorer, skjermingsmaterialer, nøytronabsorpsjon og andre tekniske retninger.

4. Spesifikke anvendelser og viktig patentforskning av sjeldne jordartsmetaller i kjernefysiske materialer

Blant dem er kjernefusjon og kjernefysjonsreaksjoner i kjernefysiske materialer intense, og kravene til materialer er strenge. For tiden er kraftreaktorer hovedsakelig kjernefysjonsreaktorer, og fusjonsreaktorer kan bli populære i stor skala om 50 år. Anvendelsen avsjeldne jordarterelementer i reaktorkonstruksjonsmaterialer; Innen spesifikke kjernekjemiske felt brukes sjeldne jordartsmetaller hovedsakelig i kontrollstenger; I tillegg,skandiumhar også blitt brukt i radiokjemi og kjernekraftindustrien.

(1) Som brennbar gift eller kontrollstang for å justere nøytronnivå og kritisk tilstand i kjernereaktoren

I kraftreaktorer er den initiale restreaktiviteten i nye kjerner generelt relativt høy. Spesielt i de tidlige stadiene av den første påfyllingssyklusen, når alt kjernebrensel i kjernen er nytt, er den gjenværende reaktiviteten høyest. På dette tidspunktet vil det å utelukkende stole på å øke kontrollstengene for å kompensere for restreaktivitet introdusere flere kontrollstenger. Hver kontrollstang (eller stangbunt) tilsvarer introduksjonen av en kompleks drivmekanisme. På den ene siden øker dette kostnadene, og på den andre siden kan åpning av hull i trykkbeholderhodet føre til en reduksjon i strukturell styrke. Ikke bare er det uøkonomisk, men det er heller ikke tillatt å ha en viss mengde porøsitet og strukturell styrke på trykkbeholderhodet. Uten å øke kontrollstengene er det imidlertid nødvendig å øke konsentrasjonen av kjemiske kompenserende giftstoffer (som borsyre) for å kompensere for den gjenværende reaktiviteten. I dette tilfellet er det lett for borkonsentrasjonen å overskride terskelen, og moderatorens temperaturkoeffisient 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 et dopant for å forbedre ytelsen til reaktorstrukturmaterialer

Reaktorer krever at strukturelle komponenter og brenselelementer har et visst nivå av styrke, korrosjonsbestandighet og høy termisk stabilitet, samtidig som de forhindrer at fisjonsprodukter kommer inn i kjølevæsken.

1) Sjeldent jordstål

Kjernereaktorer har ekstreme fysiske og kjemiske forhold, og hver komponent i reaktoren har også høye krav til spesialstålet som brukes. Sjeldne jordartsmetaller har spesielle modifikasjonseffekter på stål, hovedsakelig inkludert rensing, metamorfose, mikrolegering og forbedring av korrosjonsmotstand. Stål som inneholder sjeldne jordartsmetaller er også mye brukt i kjernereaktorer.

① Rensingseffekt: Eksisterende forskning har vist at sjeldne jordarter har en god renseeffekt 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 høytemperaturforbindelser. Høytemperaturforbindelsene kan utfelles og slippes ut i form av inneslutninger før det smeltede stålet kondenserer, og dermed redusere urenhetsinnholdet i det smeltede stålet.

② Metamorfose: På den annen side kan oksider, sulfider eller oksysulfider som dannes ved reaksjon av sjeldne jordarter i smeltet stål med skadelige elementer som oksygen og svovel, delvis holdes tilbake i smeltet stål og bli til inneslutninger i stål med høyt smeltepunkt. Disse inneslutningene kan brukes som heterogene kimdannelsessentre under størkningen av smeltet stål, og dermed forbedre stålets form og struktur.

③ Mikrolegering: Hvis tilsetningen av sjeldne jordarter økes ytterligere, vil de gjenværende sjeldne jordartene bli oppløst i stålet etter at ovennevnte rensing og metamorfose er fullført. Siden atomradiusen til sjeldne jordarter er større enn jernatomets, har sjeldne jordarter høyere overflateaktivitet. Under størkningsprosessen til smeltet stål anrikes sjeldne jordarter ved korngrensen, noe som bedre kan redusere segregeringen av urenheter ved korngrensen, og dermed styrke den faste løsningen og spille rollen som mikrolegering. På den annen side, på grunn av hydrogenlagringsegenskapene til sjeldne jordarter, kan de absorbere hydrogen i stål, og dermed effektivt forbedre hydrogenforsprøningsfenomenet i stål.

④ Forbedring av korrosjonsmotstand: Tilsetning av sjeldne jordartsmetaller kan også forbedre stålets korrosjonsmotstand. Dette er fordi sjeldne jordartsmetaller har et høyere selvkorrosjonspotensial enn rustfritt stål. Derfor kan tilsetning av sjeldne jordartsmetaller øke selvkorrosjonspotensialet til rustfritt stål, og dermed forbedre stålets stabilitet i korrosive medier.

2). Viktig patentstudie

Nøkkelpatent: oppfinnelsespatent for et oksiddispersjonsforsterket lavaktiveringsstål og dets fremstillingsmetode fra Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences

Patentsammendrag: Det gis et oksiddispersjonsforsterket lavaktiveringsstål egnet for fusjonsreaktorer og dets fremstillingsmetode, karakterisert ved at prosentandelen av legeringselementer i den totale massen av lavaktiveringsstålet er: matrisen er 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 %, og 0,05 % ≤ Y₂O₃ ≤ 0,5 %.

Produksjonsprosess: Smelting av Fe-Cr-WV-Ta-Mn-moderlegering, pulverforstøvning, høyenergikulemassering av moderlegeringen ogY2O3 nanopartikkelblandet pulver, pulveromsluttende ekstraksjon, størkningsstøping, varmvalsing og varmebehandling.

Metode for tilsetning av sjeldne jordarter: Legg til nanoskalaY2O3partikler til det forstøvede pulveret i grunnlegeringen for høyenergikulemaling, hvor kulemalingsmediet er Φ 6 og Φ 10 blandede harde stålkuler, med en kulemalingsatmosfære på 99,99 % argongass, et masseforhold for kulematerialet på (8-10): 1, en kulemalingstid på 40–70 timer og en rotasjonshastighet på 350–500 o/min.

3). Brukes til å lage materialer for beskyttelse mot nøytronstråling

① Prinsipp for nøytronstrålingsbeskyttelse

Nøytroner er komponenter i atomkjerner, med en statisk masse på 1,675 × 10⁻²⁶ kg, som er 1838 ganger elektronmassen. Radiusen er omtrent 0,8 × 10⁻²⁶ m, omtrent på størrelse med et proton, og γ-strålene er like uladede. Når nøytroner vekselvirker med materie, vekselvirker de hovedsakelig med kjernekreftene inne i kjernen, og ikke med elektronene i det ytre skallet.

Med den raske utviklingen av kjernekraft og kjernereaktorteknologi har det blitt viet stadig mer oppmerksomhet til sikkerhet for kjernefysisk stråling og kjernefysisk strålingsvern. For å styrke strålingsvernet 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 kjernereaktorstråling. Generelt har de fleste nøytronene i direkte kontakt med mennesker blitt bremset ned til lavenerginøytroner etter nøytronskjermingseffekten av strukturmaterialene inne i kjernereaktoren. Lavenerginøytroner vil kollidere elastisk med kjerner med lavere atomnummer og fortsette å bli moderert. De modererte termiske nøytronene vil bli absorbert av elementer med større nøytronabsorpsjonstverrsnitt, og til slutt vil nøytronskjerming oppnås.

② Viktig patentstudie

De porøse og organisk-uorganiske hybridegenskapene tilsjeldne jordartselementergadoliniumMetallbaserte organiske skjelettmaterialer øker kompatibiliteten med polyetylen, noe som bidrar til at syntetiserte komposittmaterialer har høyere gadoliniuminnhold og gadoliniumdispersjon. Det høye gadoliniuminnholdet og -dispersjonen vil direkte påvirke komposittmaterialenes nøytronskjermingsytelse.

Nøkkelpatent: Hefei Institute of Material Science, Chinese Academy of Sciences, oppfinnelsespatent for et gadoliniumbasert organisk rammeverkskomposittskjermingsmateriale og dets fremstillingsmetode

Patentsammendrag: Gadoliniumbasert metallorganisk skjelettkomposittskjermingsmateriale er et komposittmateriale dannet ved blandinggadoliniumGadoliniumbasert metallorganisk skjelettmateriale med polyetylen i et vektforhold på 2:1:10 og forming gjennom løsningsmiddelfordampning eller varmpressing. Gadoliniumbaserte metallorganiske skjelettkomposittskjermingsmaterialer har høy termisk stabilitet og termisk nøytronskjermingsevne.

Produksjonsprosess: valg av forskjelligegadoliniummetallsalter og organiske ligander for å fremstille og syntetisere forskjellige typer gadoliniumbaserte metallorganiske skjelettmaterialer, vaske dem med små molekyler av metanol, etanol eller vann ved sentrifugering, og aktivere dem ved høy temperatur under vakuumforhold for å fullstendig fjerne gjenværende ureagerte råmaterialer i porene i de gadoliniumbaserte metallorganiske skjelettmaterialene; Det gadoliniumbaserte organometalliske skjelettmaterialet fremstilt i trinn omrøres med polyetylenlotion ved høy hastighet, eller ultralyd, eller det gadoliniumbaserte organometalliske skjelettmaterialet fremstilt i trinn smelteblandes med polyetylen med ultrahøy molekylvekt ved høy temperatur til den er fullstendig blandet; Plasser den jevnt blandede gadoliniumbaserte metallorganiske skjelettmaterialet/polyetylenblandingen i formen, og oppnå det dannede gadoliniumbaserte metallorganiske skjelettkomposittskjermingsmaterialet ved tørking for å fremme løsemiddelfordampning eller varmpressing; Det fremstilte gadoliniumbaserte metallorganiske skjelettkomposittskjermingsmaterialet har betydelig forbedret varmebestandighet, mekaniske egenskaper og overlegen termisk nøytronskjermingsevne sammenlignet med rene polyetylenmaterialer.

Addisjonsmodus for sjeldne jordarter: Gd2 (BHC)(H2O)6, Gd (BTC)(H2O)4 eller Gd (BDC)1,5 (H2O)2 porøs krystallinsk koordinasjonspolymer som inneholder gadolinium, som oppnås ved koordinasjonspolymerisering avGd(NO3)3 • 6H2O eller GdCl3 • 6H2Oog organisk karboksylatligand; Størrelsen på gadoliniumbasert metallorganisk skjelettmateriale er 50 nm–2 μm; gadoliniumbaserte metallorganiske skjelettmaterialer har forskjellige morfologier, inkludert granulære, stavformede eller nåleformede former.

(4) Anvendelse avSkandiumi radiokjemi og kjernekraftindustri

Scandiummetall 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, oppfinnelsespatent for en aluminiumsinkmagnesiumskandiumlegering og dens fremstillingsmetode

Patentsammendrag: En aluminiumsinkmagnesiumskandiumlegeringog fremstillingsmetode. Den kjemiske sammensetningen og vektprosenten til aluminium-sink-magnesium-skandiumlegeringen er: Mg 1,0 % -2,4 %, Zn 3,5 % -5,5 %, Sc 0,04 % -0,50 %, Zr 0,04 % -0,35 %, urenheter Cu ≤ 0,2 %, Si ≤ 0,35 %, Fe ≤ 0,4 %, andre urenheter enkeltvis ≤ 0,05 %, andre urenheter totalt ≤ 0,15 %, og den gjenværende mengden er Al. Mikrostrukturen til dette aluminium-sink-magnesium-skandiumlegeringsmaterialet er jevnt og stabilt, med en strekkfasthet på over 400 MPa, en flytegrense på over 350 MPa og en strekkfasthet på over 370 MPa for sveisede skjøter. Materialproduktene kan brukes som strukturelle elementer innen luftfart, kjernekraftindustri, transport, sportsutstyr, våpen og andre felt.

Produksjonsprosess: Trinn 1, ingredienser i henhold til legeringssammensetningen ovenfor; Trinn 2: Smelting i smelteovnen ved en temperatur på 700 ℃ ~ 780 ℃; Trinn 3: Raffinering av den fullstendig smeltede metallvæsken, og hold metalltemperaturen innenfor området 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​under raffinering; Trinn 4: Etter raffinering bør den stå helt stille; Trinn 5: Etter fullstendig støping, start støping, hold ovnstemperaturen innenfor området 690 ℃ ~ 730 ℃, og støpehastigheten er 15-200 mm/minutt; Trinn 6: Utfør homogeniseringsgløding på legeringsbarren i varmeovnen, med en homogeniseringstemperatur på 400 ℃ ~ 470 ℃; Trinn 7: Fjern den homogeniserte barren og utfør varmeekstrudering for å produsere profiler med en veggtykkelse på over 2,0 mm. Under ekstruderingsprosessen bør barren holdes ved en temperatur på 350 ℃ til 410 ℃; Trinn 8: Klem profilen for løsningsbråkjøling, med en løsningstemperatur på 460–480 ℃. Trinn 9: Etter 72 timer med fast løsningsbråkjøling, tving aldring manuelt. Det manuelle tvingede aldringssystemet er: 90–110 ℃/24 timer + 170–180 ℃/5 timer, eller 90–110 ℃/24 timer + 145–155 ℃/10 timer.

5. Forskningssammendrag

Generelt sett er sjeldne jordarter mye brukt i kjernefusjon og kjernefisjon, og har mange patenter innen tekniske områder som røntgeneksitasjon, plasmadannelse, lettvannsreaktor, transuran, uranyl og oksidpulver. Når det gjelder reaktormaterialer, kan sjeldne jordarter brukes som reaktorstrukturmaterialer og relaterte keramiske isolasjonsmaterialer, kontrollmaterialer og nøytronstrålingsbeskyttelsesmaterialer.