1 、 Definiția materialelor nucleare
Într -un sens larg, materialul nuclear este termenul general pentru materialele utilizate exclusiv în industria nucleară și cercetarea științifică nucleară, inclusiv combustibili nucleari și materiale de inginerie nucleară, adică materiale de combustibil non -nucleare.
Materialele nucleare menționate în mod obișnuit se referă în principal la materiale utilizate în diferite părți ale reactorului, cunoscute și sub denumirea de materiale ale reactorului. Materialele de reactor includ combustibil nuclear care suferă fisiune nucleară sub bombardament cu neutroni, materiale de placare pentru componente nucleare, lichide de răcire, moderatori de neutroni (moderatori), materiale de tijă de control care absoarbe puternic neutroni și materiale reflectorizante care împiedică scurgerea neutronilor în afara reactorului.
2 、 CO Relația asociată între resursele de pământ rare și resursele nucleare
Monazitul, numit și fosfocerit și fosfocerit, este un mineral accesoriu comun în roca igienă a acidului intermediar și roca metamorfică. Monazitul este unul dintre principalele minerale ale minereului de metal de pământ rar și există, de asemenea, în unele roci sedimentare. Galben roșu maro, galben, uneori maro, cu un luciu gras, clivaj complet, duritate Mohs de 5-5,5 și o gravitate specifică de 4,9-5,5.
Principalul mineral de minereu al unor depozite de pământ rare de tip Placer din China este Monazitul, situat în principal în Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan și HE County, Guangxi. Cu toate acestea, extragerea resurselor de pământ rare de tip Placer nu are adesea o semnificație economică. Pietrele solitare conțin adesea elemente de toriu reflexive și sunt, de asemenea, principala sursă de plutoniu comercial.
3 、 Prezentare generală a cererii de pământ rare în fuziunea nucleară și fisiunea nucleară bazată pe analiza panoramică a brevetelor
După ce cuvintele cheie ale elementelor de căutare a pământului rare sunt complet extinse, acestea sunt combinate cu tastele de expansiune și numărul de clasificare a fisiei nucleare și fuziunea nucleară și sunt căutate în baza de date INCOPT. Data căutării este 24 august 2020. 4837 de brevete au fost obținute după o simplă fuziune a familiei și 4673 de brevete au fost determinate după reducerea zgomotului artificial.
Rare earth patent applications in the field of nuclear fission or nuclear fusion are distributed in 56 countries/regions , mainly concentrated in Japan, China, the United States, Germany and Russia, etc. A considerable number of patents are applied in the form of PCT, of which Chinese patent technology applications have been increasing, especially since 2009, entering a rapid growth stage, and Japan, the United States and Russia have continued to layout in this field for many years (Figure 1).
Figura 1 Tendința de aplicare a brevetelor tehnologice legate de aplicarea rare a pământului în fisiunea nucleară și fuziunea nucleară în țări/regiuni
Din analiza temelor tehnice se poate observa că aplicarea pământului rar în fuziunea nucleară și fisiunea nucleară se concentrează pe elemente de combustibil, scintilatoare, detectoare de radiații, actinide, plasme, reactoare nucleare, materiale de protecție, absorbție de neutroni și alte direcții tehnice.
4 、 Aplicații specifice și cercetări cheie de brevet ale elementelor de pământ rare în materiale nucleare
Printre ele, reacțiile de fuziune nucleară și fisiune nucleară în materialele nucleare sunt intense, iar cerințele pentru materiale sunt stricte. În prezent, reactoarele de putere sunt în principal reactoare de fisiune nucleară, iar reactoarele de fuziune pot fi popularizate la scară largă după 50 de ani. AplicareaPământ rarelemente în materiale structurale ale reactorului; În câmpurile chimice nucleare specifice, elementele rare ale Pământului sunt utilizate în principal în tijele de control; În plus,scandiuma fost, de asemenea, utilizat în radiochimie și industria nucleară.
（1） ca otravă combustibilă sau tija de control pentru a regla nivelul de neutroni și starea critică a reactorului nuclear
În reactoarele de putere, reactivitatea reziduală inițială a noilor nuclee este în general relativ ridicată. Mai ales în primele etape ale primului ciclu de alimentare, când tot combustibilul nuclear din miez este nou, reactivitatea rămasă este cea mai mare. În acest moment, bazându -se doar pe creșterea tijelor de control pentru a compensa reactivitatea reziduală ar introduce mai multe tije de control. Fiecare tijă de control (sau pachet de tije) corespunde introducerii unui mecanism de conducere complex. Pe de o parte, acest lucru crește costurile, iar pe de altă parte, deschiderea găurilor din capul vasului sub presiune poate duce la o scădere a rezistenței structurale. Nu numai că este neeconomic, dar nu este permis să aibă o anumită cantitate de porozitate și rezistență structurală pe capul vasului sub presiune. Cu toate acestea, fără a crește tijele de control, este necesar să se crească concentrația de toxine compensante chimice (cum ar fi acidul boric) pentru a compensa reactivitatea rămasă. În acest caz, este ușor pentru concentrația de bor să depășească pragul, iar coeficientul de temperatură al moderatorului va deveni pozitiv.
Pentru a evita problemele menționate mai sus, o combinație de toxine combustibile, tije de control și control de compensare chimică poate fi utilizată în general pentru control.
（2） ca dopant pentru a îmbunătăți performanța materialelor structurale ale reactorului
Reactoarele necesită componente structurale și elemente de combustibil pentru a avea un anumit nivel de rezistență, rezistență la coroziune și stabilitate termică ridicată, împiedicând în același timp produsele de fisiune să intre în lichid de răcire.
1) .Nare oțel de pământ
Reactorul nuclear are condiții fizice și chimice extreme, iar fiecare componentă a reactorului are, de asemenea, cerințe ridicate pentru oțelul special utilizat. Elementele rare ale Pământului au efecte speciale de modificare asupra oțelului, incluzând în principal purificarea, metamorfismul, microalierea și îmbunătățirea rezistenței la coroziune. Oțelurile rare care conțin pământul sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în reactoarele nucleare.
Efect Effect de purificare: Cercetările existente au arătat că pământurile rare au un efect de purificare bun asupra oțelului topit la temperaturi ridicate. Acest lucru se datorează faptului că pământurile rare pot reacționa cu elemente dăunătoare, cum ar fi oxigenul și sulful din oțelul topit pentru a genera compuși la temperaturi ridicate. Compușii cu temperaturi ridicate pot fi precipitați și descărcați sub formă de incluziuni înainte de condensarea oțelului topit, reducând astfel conținutul de impuritate din oțelul topit.
② Metamorfism: Pe de altă parte, oxizii, sulfurile sau oxizulfidele generate de reacția pământului rar în oțelul topit cu elemente nocive, cum ar fi oxigenul și sulful pot fi parțial păstrate în oțelul topit și devin incluziuni de oțel cu punct de topire ridicat. Aceste incluziuni pot fi utilizate ca centre de nucleare eterogene în timpul solidificării oțelului topit, îmbunătățind astfel forma și structura oțelului.
③ Microalloying: Dacă adăugarea de pământ rar este în continuare crescută, restul de pământ rar va fi dizolvat în oțel după ce purificarea de mai sus și metamorfismul vor fi finalizate. Deoarece raza atomică a pământului rar este mai mare decât cea a atomului de fier, pământul rar are o activitate de suprafață mai mare. În timpul procesului de solidificare a oțelului topit, elementele rare ale pământului sunt îmbogățite la granița cerealelor, ceea ce poate reduce mai bine segregarea elementelor de impuritate la granița, consolidând astfel soluția solidă și jucând rolul de microaliat. Pe de altă parte, datorită caracteristicilor de depozitare a hidrogenului pământurilor rare, acestea pot absorbi hidrogenul din oțel, îmbunătățind astfel eficient fenomenul de elaborare a hidrogenului din oțel.
④ Îmbunătățirea rezistenței la coroziune: Adăugarea de elemente de pământ rare poate îmbunătăți, de asemenea, rezistența la coroziune a oțelului. Acest lucru se datorează faptului că pământurile rare au un potențial mai mare de coroziune de sine decât oțelul inoxidabil. Prin urmare, adăugarea de pământ rare poate crește potențialul de coroziune de sine a oțelului inoxidabil, îmbunătățind astfel stabilitatea oțelului în mediile corozive.
2). Studiu cheie de brevet
Brevet cheie: Brevetul de invenție al unei dispersii oxidului a consolidat oțel de activare scăzut și metoda de pregătire a acestuia de către Institutul de Metaluri, Academia Chineză de Științe
Rezumat brevet: cu condiția ca o oțel de activare scăzută consolidată cu dispersie a oxidului, adecvat pentru reactoarele de fuziune și metoda de preparare a acestuia, caracterizată prin faptul că procentul elementelor de aliaj în masa totală a oțelului de activare scăzut este: Matricea este 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%și 0,05%≤ y2O3 ≤ 0,5%.
Proces de fabricație: FER-CR-WV-TA-MN MOME MOME FMELTING, Atomizare cu pulbere, frezare cu bilă de mare energie a aliajului mamă șiNanoparticula Y2O3Pulbere mixtă, extracție de învăluire a pulberii, modelare de solidificare, rulare la cald și tratament termic.
Metoda rară de adăugare a pământului: adăugați nano -scalăY2O3Particule la pulbere atomizată din aliaj părinte pentru măcinarea cu bilă cu energie mare, mediul de frezare cu bilă fiind φ 6 și φ 10 bile de oțel dure amestecate, cu o atmosferă de frezare a bilei de 99,99% gaz argon, un raport de masă de material de bilă de (8-10): 1, un timp de frezare cu bilă de 40-70 ore și o viteză de rotație de 350-500 R/min.
3）. Folosit pentru a face materiale de protecție împotriva radiațiilor cu neutroni
① Principiul protecției privind radiațiile cu neutroni
Neutronii sunt componente ale nucleelor atomice, cu o masă statică de 1.675 × 10-27 kg, care este de 1838 de ori masa electronică. Raza sa este de aproximativ 0,8 × 10-15m, similară cu un proton, similar cu razele γ sunt la fel de neîncărcate. Când neutronii interacționează cu materie, ei interacționează în principal cu forțele nucleare din interiorul nucleului și nu interacționează cu electronii din coaja exterioară.
Odată cu dezvoltarea rapidă a energiei nucleare și a tehnologiei reactorului nuclear, a fost acordată din ce în ce mai multă atenție siguranței radiațiilor nucleare și protecției privind radiațiile nucleare. Pentru a consolida protecția privind radiațiile pentru operatorii care s -au angajat în întreținerea echipamentelor de radiații și salvarea accidentelor de mult timp, este de o importanță științifică și o valoare economică deosebită pentru a dezvolta compozite de protecție ușoară pentru îmbrăcăminte de protecție. Radiația de neutroni este cea mai importantă parte a radiațiilor reactorului nuclear. În general, majoritatea neutronilor în contact direct cu ființele umane au fost încetinite până la neutroni cu energie redusă după efectul de ecranare a neutronilor a materialelor structurale din reactorul nuclear. Neutronii cu energie scăzută se vor ciocni cu nuclee cu un număr atomic mai mic elastic și vor continua să fie moderați. Neutronii termici moderați vor fi absorbiți de elemente cu secțiuni transversale mai mari de absorbție a neutronilor și se va obține în sfârșit ecranarea neutronilor.
Studiu cheie de brevet
Proprietățile hibride poroase și organice-anorganice aleelement de pământ rargadoliniumMaterialele de schelet organic metalic pe bază de metal cresc compatibilitatea lor cu polietilena, promovând materialele compozite sintetizate pentru a avea un conținut mai mare de gadolinium și dispersia gadoliniului. Conținutul ridicat de gadolinium și dispersia vor afecta direct performanța de protecție a neutronilor a materialelor compozite.
Brevet cheie: Institutul de Științe Materiale Hefei, Academia Chineză de Științe, Brevetul de invenție al unui cadru organic pe bază de gadolinium material de protecție compozită și metoda de pregătire a acestuia
Rezumat brevet: Materialul de ecranare a compozitului de schelet organic pe bază de gadolinium este un material compus format prin amestecaregadoliniumMaterial de schelet organic metalic bazat pe polietilenă într -un raport de greutate de 2: 1: 10 și formându -l prin evaporarea solventului sau prin presare la cald. Materialele de ecranare a compozitului organic de schelet organic pe bază de gadolinium au o stabilitate termică ridicată și o capacitate de ecranare a neutronilor termici.
Proces de fabricație: selectarea diferităMetal gadoliniumSăruri și liganzi organici pentru prepararea și sintetizarea diferitelor tipuri de materiale de schelet organic metalic pe bază de gadolinium, spălându -le cu molecule mici de metanol, etanol sau apă prin centrifugare și activându -le la temperaturi ridicate în condiții de vid pentru a îndepărta complet materiile prime nerectate reziduale în porii materialelor de skeleton organice metalice pe bază de gadoliniu; Materialul de schelet organometalic pe bază de gadolinium preparat în pas este agitat cu loțiune de polietilenă la o viteză mare, sau cu ultrasunete, sau materialul schelet organometalic pe bază de gadolinium preparat în pas, se topește amestecat cu polietilen cu greutate moleculară ultra-înaltă la temperatură ridicată până la amestecare complet; Puneți materialul schelet organic metalic pe bază de gadolinium uniform mixte/amestec de polietilenă în matriță și obțineți materialul de protecție compozit al scheletului organic pe bază de gadolinium format pe bază de gadolinium, prin uscarea pentru a promova evaporarea solventului sau presarea la cald; Materialul de ecranare a compozitului organic de schelet organic pe bază de gadolinium preparat a îmbunătățit semnificativ rezistența la căldură, proprietățile mecanice și capacitatea superioară de ecranare a neutronilor termici în comparație cu materialele pure de polietilenă.
Mod rar de adăugare a pământului: GD2 (BHC) (H2O) 6, GD (BTC) (H2O) 4 sau GD (BDC) 1,5 (H2O) 2 polimer de coordonare cristalină poroasă care conține gadolinium, care este obținut prin polimerizarea de coordonare a luiGD (NO3) 3 • 6H2O sau GDCL3 • 6H2Oși ligandul de carboxilat organic; Mărimea materialului scheletului organic metalic pe bază de gadolinium este de 50nm-2 μ m ； Materialele de schelet organic metalice pe bază de gadolinium au morfologii diferite, inclusiv forme granulare, în formă de tijă sau în formă de ac.
（4） AplicareaScandiumîn radiochimie și industria nucleară
Metalul Scandium are o stabilitate termică bună și o performanță puternică de absorbție a fluorului, ceea ce îl face un material indispensabil în industria energiei atomice.
Brevet cheie: China Aerospace Development Institute Beijing of Aeronautical Materials, Invenție Brevet pentru un aliaj de scandium de magneziu de zinc din aluminiu și metoda de preparare a acestuia
Rezumat brevet: un zinc din aluminiuAliaj de scandium de magneziuși metoda sa de pregătire. The chemical composition and weight percentage of the aluminum zinc magnesium scandium alloy are: Mg 1.0% -2.4%, Zn 3.5% -5.5%, Sc 0.04% -0.50%, Zr 0.04% -0.35%, impurities Cu ≤ 0.2%, Si ≤ 0.35%, Fe ≤ 0.4%, other impurities single ≤ 0.05%, other impurities total ≤ 0,15%, iar suma rămasă este Al. Microstructura acestui material din aliaj de scandium de magneziu de zinc din aluminiu este uniformă, iar performanța sa este stabilă, cu o rezistență finală de tracțiune de peste 400MPa, o rezistență la randament de peste 350MPa și o rezistență la tracțiune de peste 370MPa pentru articulațiile sudate. Produsele materiale pot fi utilizate ca elemente structurale în aerospațial, industria nucleară, transportul, articolele sportive, arme și alte câmpuri.
Procesul de fabricație: Pasul 1, ingredient în funcție de compoziția de mai sus; Pasul 2: Topiți în cuptorul de topire la o temperatură de 700 ℃ ~ 780 ℃; Pasul 3: Rafinați lichidul metalic topit complet și mențineți temperatura metalului în intervalul 700 ℃ ~ 750 ℃ în timpul rafinării; Pasul 4: După rafinare, ar trebui să fie lăsat pe deplin să stea nemișcat; Pasul 5: După ce în picioare complet, începeți turnarea, mențineți temperatura cuptorului în intervalul 690 ℃ ~ 730 ℃, iar viteza de turnare este de 15-200mm/minut; Pasul 6: Efectuați un tratament de recoacere la omogenizare pe lingoul de aliaj în cuptorul de încălzire, cu o temperatură de omogenizare de 400 ℃ ~ 470 ℃; Pasul 7: Cojiți lingotul omogenizat și efectuați extrudare la cald pentru a produce profiluri cu o grosime de perete de peste 2,0 mm. În timpul procesului de extrudare, biletul trebuie menținut la o temperatură de 350 ℃ până la 410 ℃; Pasul 8: Strângeți profilul pentru tratamentul de stingere a soluției, cu o temperatură de soluție de 460-480 ℃; Pasul 9: După 72 de ore de stingere a soluției solide, forțați manual îmbătrânirea. Sistemul de îmbătrânire a forței manuale este: 90 ~ 110 ℃/24 ore+170 ~ 180 ℃/5 ore, sau 90 ~ 110 ℃/24 ore+145 ~ 155 ℃/10 ore.
5 、 Rezumatul cercetării
În ansamblu, pământurile rare sunt utilizate pe scară largă în fuziunea nucleară și fisiunea nucleară și au multe machete de brevet în direcții tehnice precum excitația cu raze X, formarea plasmatică, reactorul de apă ușoară, transuraniu, uranil și pulbere de oxid. În ceea ce privește materialele reactorului, pământele rare pot fi utilizate ca materiale structurale ale reactorului și materiale de izolare ceramică aferente, materiale de control și materiale de protecție împotriva radiațiilor cu neutroni.
Timpul post: 26-2023 mai