Anvendelse av sjeldne jordelementer i kjernefysiske materialer

1、 Definisjon av kjernefysiske materialer

I vid forstand er kjernefysisk materiale den generelle betegnelsen for materialer som utelukkende brukes i kjernefysisk industri og kjernefysisk vitenskapelig forskning, inkludert kjernebrensel og kjernefysisk ingeniørmateriale, dvs. ikke-atombrenselmaterialer.

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

2、 Sammenhengende forhold mellom sjeldne jordartsressurser og kjernefysiske ressurser

Monazitt, også kalt fosfoceritt og fosfoceritt, er et vanlig hjelpemineral i mellomsyre magmatisk bergart og metamorf bergart.Monazitt er et av hovedmineralene i sjeldne jordmetallmalm, og finnes også i noen sedimentære bergarter.Brunrød, gul, noen ganger brungul, med en fet glans, fullstendig spaltning, Mohs hardhet på 5-5,5 og egenvekt på 4,9-5,5.

Det viktigste malmmineralet i noen sjeldne jordartsforekomster av placertype i Kina er monazitt, hovedsakelig lokalisert i Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan og He County, Guangxi.Imidlertid har utvinning av sjeldne jordartsressurser ofte ikke økonomisk betydning.Solitære steiner inneholder ofte refleksive thoriumelementer og er også hovedkilden til kommersielt plutonium.

3、 Oversikt over bruk av sjeldne jordarter i kjernefysisk fusjon og kjernefysisk fisjon basert på patent panoramaanalyse

Etter at nøkkelordene til sjeldne jordarters søkeelementer er fullstendig utvidet, blir de kombinert med utvidelsesnøklene og klassifiseringsnumrene for kjernefysisk fisjon og kjernefysisk fusjon, og søkt i Incopt-databasen.Søkedatoen er 24. august 2020. 4837 patenter ble oppnådd etter enkel familiesammenslåing, og 4673 patenter ble bestemt etter kunstig støyreduksjon.

Søknader om sjeldne jordartspatenter innen kjernefysisk fisjon eller kjernefysisk fusjon er distribuert i 56 land/regioner, hovedsakelig konsentrert i Japan, Kina, USA, Tyskland og Russland, etc. Et betydelig antall patenter søkes i form av PCT , hvorav kinesiske patentteknologisøknader har økt, spesielt siden 2009, og går inn i et raskt vekststadium, og Japan, USA og Russland har fortsatt å layoute på dette feltet i mange år (figur 1).

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

Det kan sees fra analysen av tekniske temaer at anvendelsen av sjeldne jordarter i kjernefysisk fusjon og kjernefysisk fisjon fokuserer på brenselelementer, scintillatorer, strålingsdetektorer, aktinider, plasmaer, atomreaktorer, skjermingsmaterialer, nøytronabsorpsjon og andre tekniske retninger.

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

Blant dem er kjernefysiske fusjons- og kjernefysiske reaksjoner i kjernefysiske materialer intense, og kravene til materialer er strenge.For tiden er kraftreaktorer hovedsakelig kjernefysiske fisjonsreaktorer, og fusjonsreaktorer kan bli populært i stor skala etter 50 år.Anvendelsen avsjelden jordelementer i reaktorkonstruksjonsmaterialer;I spesifikke kjernefysiske kjemiske felt brukes sjeldne jordartselementer hovedsakelig i kontrollstaver;I tillegg,skandiumhar også blitt brukt i radiokjemi og kjernefysisk industri.

（1） Som brennbar gift eller kontrollstav for å justere nøytronnivå og kritisk tilstand til atomreaktoren

I kraftreaktorer er den initiale gjenværende reaktiviteten til nye kjerner generelt relativt høy.Spesielt i de tidlige stadiene av den første fyllingssyklusen, når alt kjernebrensel i kjernen er nytt, er den gjenværende reaktiviteten høyest.På dette tidspunktet vil det å stole utelukkende på økende kontrollstaver for å kompensere for gjenværende reaktivitet introdusere flere kontrollstaver.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 porøsitet og strukturell styrke på trykkbeholderhodet.Men uten å øke kontrollstavene, er det 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 temperaturkoeffisienten til moderatoren vil bli positiv.

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

（2） Som et dopingmiddel for å forbedre ytelsen til reaktorstrukturmaterialer

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

1) .Sjeldent jordstål

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

① Renseeffekt: 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 reduserer dermed urenhetsinnholdet i det smeltede stålet.

② Metamorfose: på den annen side kan oksidene, sulfidene eller oksysulfidene som genereres ved reaksjonen av sjeldne jordarter i det smeltede stålet med skadelige elementer som oksygen og svovel, delvis holdes tilbake i det smeltede stålet og bli inneslutninger av stål med høyt smeltepunkt .Disse inneslutningene kan brukes som heterogene kjernedannelsessentre under størkning av det smeltede stålet, og dermed forbedre formen og strukturen til stål.

③ Mikrolegering: hvis tilsetningen av sjeldne jordarter økes ytterligere, vil den gjenværende sjeldne jordarten bli oppløst i stålet etter at ovennevnte rensing og metamorfose er fullført.Siden atomradiusen til sjeldne jordarter er større enn for jernatomer, har sjeldne jordarter høyere overflateaktivitet.Under størkningsprosessen av smeltet stål anrikes sjeldne jordartselementer ved korngrensen, noe som bedre kan redusere segregeringen av urenhetselementer 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 hydrogensprøhetsfenomenet til stål.

④ Forbedring av korrosjonsmotstand: Tilsetning av sjeldne jordartsmetaller 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 korrosive medier.

2).Nøkkelpatentstudie

Nøkkelpatent: oppfinnelsespatent på et oksiddispersjonsstyrket lavaktiveringsstål og dets fremstillingsmetode av Institute of Metals, Chinese Academy of Sciences

Patentabstrakt: Det følger med 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 %, 0,1 O3 ≤ 0,5 % .

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

Metode for tilsetning av sjeldne jordarter: Legg til nanoskalaY2O3partikler til det forstøvede pulveret for moderlegeringen for høyenergikulefresing, hvor kulefresemediet er Φ 6 og Φ 10 blandede harde stålkuler, med en kulefreseatmosfære på 99,99 % argongass, et masseforhold for kulemateriale på (8- 10): 1, en kulefresetid på 40-70 timer, og en rotasjonshastighet på 350-500 r/min.

3）. Brukes til å lage nøytronstrålebeskyttelsesmaterialer

① Prinsippet for nøytronstrålingsbeskyttelse

Nøytroner er komponenter i atomkjerner, med en statisk masse på 1,675 × 10-27 kg, som er 1838 ganger den elektroniske massen.Dens radius er omtrent 0,8 × 10-15m, lik størrelse på et proton, lik γ Stråler er like uladet.Når nøytroner samhandler med materie, samhandler de hovedsakelig med kjernekreftene inne i kjernen, og samhandler ikke med elektronene i det ytre skallet.

Med den raske utviklingen av kjernekraft og kjernefysisk reaktorteknologi har mer og mer oppmerksomhet blitt viet til kjernefysisk strålingssikkerhet og kjernefysisk strålingsbeskyttelse.For å styrke strålevernet for operatører som har drevet med vedlikehold av stråleutstyr og ulykkesredning i lang tid, er det av stor vitenskapelig betydning og økonomisk verdi å utvikle lette skjermingskompositter for verneklær.Nøytronstråling er den viktigste delen av atomreaktorstråling.Generelt har de fleste nøytronene i direkte kontakt med mennesker blitt bremset ned til lavenerginøytroner etter nøytronskjermingseffekten til strukturmaterialene inne i atomreaktoren.Lavenerginøytroner 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 organisk-uorganiske hybridegenskapene tilsjeldne jordartselementergadoliniumbaserte metallorganiske skjelettmaterialer øker deres kompatibilitet med polyetylen, og fremmer at de syntetiserte komposittmaterialene har høyere gadoliniuminnhold og gadoliniumdispersjon.Det høye gadoliniuminnholdet og dispersjonen vil direkte påvirke nøytronskjermingsytelsen til komposittmaterialene.

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

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

Produksjonsprosess: velge forskjelliggadolinium metallsalter 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 til gadoliniumbaserte metallorganiske skjelettmaterialer;Det gadoliniumbaserte organometalliske skjelettmaterialet fremstilt i trinn blir omrørt med polyetylenlotion ved høy hastighet, eller ultralyd, eller det gadoliniumbaserte organometalliske skjelettmaterialet fremstilt i trinn er smelteblandet med polyetylen med ultrahøy molekylvekt ved høy temperatur inntil det er fullstendig blandet;Plasser den jevnt blandede gadoliniumbaserte metallorganiske skjelettmaterialet/polyetylenblandingen i formen, og skaff det dannede gadoliniumbaserte metallorganiske skjelettkomposittmaterialet ved å tørke for å fremme løsningsmiddelfordampning eller varmpressing;Det forberedte gadoliniumbaserte metallorganiske skjelettkomposittskjermingsmaterialet har betydelig forbedret varmebestandighet, mekaniske egenskaper og overlegen termisk nøytronskjermingsevne sammenlignet med rene polyetylenmaterialer.

Tilsetningsmodus 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 50nm-2 μm; Gadoliniumbaserte metallorganiske skjelettmaterialer har forskjellige morfologier, inkludert granulære, stavformede eller nåleformede former.

（4） Anvendelse avScandiumi radiokjemi og atomindustri

Scandium metal har god termisk stabilitet og sterk fluorabsorberende ytelse, 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

Patentabstrakt: En aluminiumsinkmagnesium scandium legeringog dens tilberedningsmetode.Den kjemiske sammensetningen og vektprosenten av aluminiumsinkmagnesiumskandiumlegeringen 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 enkelt ≤ 0,05 %, andre urenheter totalt ≤ 0,15 %, og den resterende mengden er Al.Mikrostrukturen til dette aluminiumsinkmagnesium scandium-legeringsmaterialet er jevn og ytelsen er stabil, med en ultimat strekkstyrke på over 400 MPa, en flytegrense på over 350 MPa og en strekkstyrke på over 370 MPa for sveisede skjøter.Materialproduktene kan brukes som strukturelle elementer innen romfart, atomindustri, 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: Raffiner den fullstendig smeltede metallvæsken, og hold metalltemperaturen innenfor området 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​under raffinering;Trinn 4: Etter raffinering skal den få stå helt stille;Trinn 5: Etter å ha stått helt, start støpingen, hold ovnstemperaturen innenfor området 690 ℃ ~ 730 ℃, og støpehastigheten er 15-200 mm/minutt;Trinn 6: Utfør homogeniseringsglødingsbehandling på legeringsblokken i varmeovnen, med en homogeniseringstemperatur på 400 ℃ ~ 470 ℃;Trinn 7: Skrell den homogeniserte blokken og utfør varm ekstrudering for å produsere profiler med en veggtykkelse på over 2,0 mm.Under ekstruderingsprosessen bør emnet holdes ved en temperatur på 350 ℃ til 410 ℃;Trinn 8: Klem sammen profilen for løsningsavkjølingsbehandling, med en løsningstemperatur på 460-480 ℃;Trinn 9: Etter 72 timer med bråkjøling av fast løsning, tving aldring manuelt.Det manuelle kraftaldringssystemet er: 90~110 ℃/24 timer+170~180 ℃/5 timer, eller 90~110 ℃/24 timer+145~155 ℃/10 timer.

5、 Forskningssammendrag

I det hele tatt er sjeldne jordarter mye brukt i kjernefysisk fusjon og kjernefysisk fisjon, og har mange patentoppsett i slike tekniske retninger som røntgeneksitasjon, plasmadannelse, lettvannsreaktor, transuran, uranyl og oksidpulver.Når det gjelder reaktormaterialer, kan sjeldne jordarter brukes som reaktorkonstruksjonsmaterialer og relaterte keramiske isolasjonsmaterialer, kontrollmaterialer og nøytronstrålingsbeskyttelsesmaterialer.