1, Definiția materialelor nucleare
Într-un sens larg, material nuclear este termenul general pentru materialele utilizate exclusiv în industria nucleară și cercetarea științifică nucleară, inclusiv combustibilul nuclear și materialele de inginerie nucleară, adică materialele necombustibile nucleare.
Materialele nucleare denumite în mod obișnuit se referă în principal la materialele utilizate în diferite părți ale reactorului, cunoscute și ca materiale de reactor. Materialele reactoarelor includ combustibil nuclear care suferă fisiunea nucleară sub bombardament cu neutroni, materiale de acoperire pentru componentele combustibilului nuclear, lichide de răcire, moderatori de neutroni (moderatoare), materiale pentru tije de control care absorb puternic neutronii și materiale reflectorizante care împiedică scurgerea neutronilor în afara reactorului.
2、 Relația asociată între resursele pământurilor rare și resursele nucleare
Monazit, numit și fosfocerit și fosfocerit, este un mineral accesoriu obișnuit în rocile magmatice acide intermediare și rocile metamorfice. Monazitul este unul dintre principalele minerale ale minereului de metal din pământuri rare și există, de asemenea, în unele roci sedimentare. Roșu maroniu, galben, uneori galben maroniu, cu un luciu gras, clivaj complet, duritate Mohs de 5-5,5 și greutate specifică de 4,9-5,5.
Principalul mineral de minereu al unor zăcăminte de pământuri rare de tip placer din China este monazit, situat în principal în Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan și He County, Guangxi. Cu toate acestea, extracția resurselor de pământuri rare de tip placer nu are adesea semnificație economică. Pietrele solitare conțin adesea elemente reflexive de toriu și sunt, de asemenea, principala sursă de plutoniu comercial.
3, Prezentare generală a aplicării pământurilor rare în fuziunea nucleară și fisiunea nucleară pe baza analizei panoramice brevetate
După ce cuvintele cheie ale elementelor de căutare cu pământuri rare sunt complet extinse, acestea sunt combinate cu cheile de expansiune și numerele de clasificare ale fisiunii nucleare și fuziunii nucleare și căutate în baza de date Incopt. Data de căutare este 24 august 2020. 4837 de brevete au fost obținute în urma simplă fuziune a familiei, iar 4673 de brevete au fost determinate după reducerea artificială a zgomotului.
Cererile de brevet de pământuri rare în domeniul fisiunii nucleare sau al fuziunii nucleare sunt distribuite în 56 de țări/regiuni, concentrate în principal în Japonia, China, Statele Unite ale Americii, Germania și Rusia etc. Un număr considerabil de brevete sunt aplicate sub formă de PCT , dintre care cererile de tehnologie de brevetare chineză au crescut, mai ales din 2009, intrând într-o etapă de creștere rapidă, iar Japonia, Statele Unite și Rusia au continuat să dispună în acest domeniu de mulți ani (Figura 1).
Figura 1 Tendința de aplicare a brevetelor de tehnologie legate de aplicarea pământurilor rare în fisiunea nucleară 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 ecranare, absorbție de neutroni și alte direcții tehnice.
4、 Aplicații specifice și cercetare cheie de brevet a elementelor pământului rare în materiale nucleare
Printre acestea, reacțiile de fuziune nucleară și de 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. Aplicarea depământ rarelemente din materialele structurale ale reactorului; În domeniile chimice nucleare specifice, elementele pământurilor rare sunt utilizate în principal în tijele de control; In plus,scandiua fost folosit și în radiochimie și industria nucleară.
(1) Ca otravă combustibilă sau tijă de control pentru a regla nivelul neutronilor și starea critică a reactorului nuclear
În reactoarele de putere, reactivitatea reziduală inițială a nucleelor noi este în general relativ ridicată. În special în primele etape ale primului ciclu de realimentare, când tot combustibilul nuclear din miez este nou, reactivitatea rămasă este cea mai mare. În acest moment, bazarea exclusiv 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 complex de antrenare. Pe de o parte, acest lucru crește costurile și, pe de altă parte, deschiderea găurilor în 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 porozitate și rezistență structurală pe capul vasului sub presiune. Totuși, fără a crește tijele de control, este necesar să creștem concentrația de toxine compensatoare chimice (cum ar fi acidul boric) pentru a compensa reactivitatea rămasă. În acest caz, este ușor ca 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 al compensației chimice poate fi utilizată în general pentru control.
（2） Ca dopant pentru a îmbunătăți performanța materialelor structurale ale reactorului
Reactoarele necesită ca componentele structurale și elementele de combustibil să aibă un anumit nivel de rezistență, rezistență la coroziune și stabilitate termică ridicată, împiedicând în același timp pătrunderea produselor de fisiune în lichidul de răcire.
1) .Oţel pământuri rare
Reactorul nuclear are condiții fizice și chimice extreme, iar fiecare componentă a reactorului are, de asemenea, cerințe ridicate pentru oțelul special utilizat. Elementele pământurilor rare au efecte speciale de modificare asupra oțelului, incluzând în principal purificarea, metamorfismul, microalierea și îmbunătățirea rezistenței la coroziune. Oțelurile care conțin pământuri rare sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în reactoarele nucleare.
① Efect de purificare: cercetările existente au arătat că pământurile rare au un efect bun de purificare 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 temperatură înaltă. Compușii la temperatură înaltă pot fi precipitați și descărcați sub formă de incluziuni înainte ca oțelul topit să se condenseze, reducând astfel conținutul de impurități din oțelul topit.
② Metamorfism: pe de altă parte, oxizii, sulfurile sau oxisulfurile generate de reacția pământului rar din oțelul topit cu elemente dăunătoare precum oxigenul și sulful pot fi reținute parțial 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 Microaliere: dacă adăugarea de pământuri rare crește în continuare, pământurile rare rămase vor fi dizolvate în oțel după finalizarea purificării și metamorfismului de mai sus. 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 de pământuri rare sunt îmbogățite la limita de cereale, ceea ce poate reduce mai bine segregarea elementelor de impurități la limita de cereale, întărind astfel soluția solidă și jucând rolul de microaliere. Pe de altă parte, datorită caracteristicilor de stocare a hidrogenului pământurilor rare, acestea pot absorbi hidrogenul din oțel, îmbunătățind astfel în mod eficient fenomenul de fragilizare cu hidrogen al oțelului.
④ Îmbunătățirea rezistenței la coroziune: Adăugarea de elemente de pământuri rare poate îmbunătăți și rezistența la coroziune a oțelului. Acest lucru se datorează faptului că pământurile rare au un potențial de auto-coroziune mai mare decât oțelul inoxidabil. Prin urmare, adăugarea de pământuri rare poate crește potențialul de auto-coroziune al oțelului inoxidabil, îmbunătățind astfel stabilitatea oțelului în mediile corozive.
2). Studiu cheie de brevete
Brevet cheie: brevet de invenție al unui oțel întărit cu dispersie de oxid cu activare scăzută și metoda de preparare a acestuia de către Institutul de Metale, Academia Chineză de Științe
Rezumat brevet: Se furnizează un oțel cu activare scăzută întărit cu dispersie de oxizi, adecvat pentru reactoare de fuziune și metoda de preparare a acestuia, caracterizat prin aceea că procentul de elemente de aliaj în masa totală a oțelului cu activare scăzută 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: topirea aliajului mamă Fe-Cr-WV-Ta-Mn, atomizarea pulberii, măcinarea cu bile de mare energie a aliajului mamă șiNanoparticulă Y2O3pulbere mixtă, extracție învelitoare de pulbere, turnare prin solidificare, laminare la cald și tratament termic.
Metoda de adăugare a pământurilor rare: Adăugați la scară nanometricăY2O3particule la pulbere atomizată din aliajul de bază pentru măcinarea cu bile de mare energie, cu mediul de măcinare cu bile fiind bile mixte de oțel dur Φ 6 și Φ 10, cu o atmosferă de măcinare cu bile de 99,99% gaz argon, un raport de masă a materialului bilei de (8- 10): 1, un timp de frezare cu bile de 40-70 ore și o viteză de rotație de 350-500 r/min.
3). Folosit pentru fabricarea materialelor de protecție împotriva radiațiilor cu neutroni
① Principiul protecției împotriva radiațiilor neutronice
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 ca mărime cu un proton, asemănătoare cu γ Razele sunt la fel de neîncărcate. Când neutronii interacționează cu materia, ei interacționează în principal cu forțele nucleare din interiorul nucleului și nu interacționează cu electronii din învelișul exterior.
Odată cu dezvoltarea rapidă a energiei nucleare și a tehnologiei reactoarelor nucleare, s-a acordat din ce în ce mai multă atenție siguranței radiațiilor nucleare și protecției împotriva radiațiilor nucleare. Pentru a consolida protecția împotriva radiațiilor pentru operatorii care s-au angajat în întreținerea echipamentelor de radiații și în salvarea accidentelor de mult timp, este de o mare importanță științifică și valoare economică dezvoltarea compozitelor de ecranare ușoare pentru îmbrăcămintea de protecție. Radiația neutronică este cea mai importantă parte a radiației reactorului nuclear. În general, majoritatea neutronilor aflați în contact direct cu ființele umane au fost încetiniți la neutroni de energie scăzută după efectul de ecranare cu neutroni al materialelor structurale din interiorul reactorului nuclear. Neutronii de energie joasă se vor ciocni elastic cu nucleele cu număr atomic mai mic și vor continua să fie moderați. Neutronii termici moderati vor fi absorbiți de elemente cu secțiuni transversale de absorbție a neutronilor mai mari, iar în final se va realiza ecranarea neutronilor.
② Studiu cheie de brevet
Proprietățile hibride poroase și organice-anorganice aleelement pământ rargadoliniumaterialele schelete organice pe bază de metal își măresc compatibilitatea cu polietilena, promovând materialele compozite sintetizate să aibă conținut mai mare de gadoliniu și dispersie de gadoliniu. Conținutul și dispersia ridicate de gadoliniu vor afecta direct performanța de ecranare a neutronilor a materialelor compozite.
Brevet cheie: Institutul Hefei de Știința Materialelor, Academia Chineză de Științe, brevet de invenție al unui material de ecranare compozit pe bază de gadoliniu și metoda de preparare a acestuia
Rezumat de brevet: Materialul de ecranare compozit cu schelet organic pe bază de gadoliniu este un material compozit format prin amestecaregadoliniumaterial schelet organic pe bază de metal cu polietilenă într-un raport de greutate de 2:1:10 și formându-l prin evaporarea solventului sau presare la cald. Materialele de ecranare compozite cu schelet organic pe bază de gadoliniu au stabilitate termică ridicată și capacitate de ecranare termică a neutronilor.
Proces de fabricație: selectarea diferitelorgadoliniu metalicsăruri și liganzi organici pentru a prepara și sintetiza diferite tipuri de schelete organice metalice pe bază de gadoliniu, spălându-le cu molecule mici de metanol, etanol sau apă prin centrifugare și activându-le la temperatură ridicată în condiții de vid pentru a îndepărta complet materiile prime reziduale nereacționate. în porii materialelor scheletului organic pe bază de gadoliniu; Materialul schelet organometalic pe bază de gadoliniu preparat în etapă este agitat cu loțiune de polietilenă la o viteză mare, sau cu ultrasunete, sau materialul schelet organometalic pe bază de gadoliniu preparat în etapă este amestecat cu polietilenă cu greutate moleculară ultra-înaltă la temperatură înaltă până se amestecă complet; Puneți amestecul de material schelet organic pe bază de gadoliniu pe bază de gadoliniu/amestecul de polietilenă în matriță și obțineți materialul de ecranare compus pe bază de schelet organic pe bază de gadoliniu prin uscare pentru a promova evaporarea solventului sau presarea la cald; Materialul de ecranare compozit cu schelet organic pe bază de gadoliniu preparat are o rezistență la căldură, proprietăți mecanice și o capacitate superioară de ecranare termică a neutronilor îmbunătățite semnificativ în comparație cu materialele din polietilenă pură.
Mod de adăugare a pământurilor rare: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 sau Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 polimer de coordonare cristalin poros care conține gadoliniu, care este obținut prin polimerizarea de coordonare aGd (NO3) 3 • 6H2O sau GdCl3 • 6H2Oşi ligand organic carboxilat; Dimensiunea materialului scheletului organic din metal pe bază de gadoliniu este de 50nm-2 μm; Materialele scheletului organic din metal pe bază de gadoliniu au morfologii diferite, inclusiv forme granulare, în formă de tijă sau în formă de ac.
（4） AplicareaScandiulîn radiochimie și industria nucleară
Metalul scandiu are o stabilitate termică bună și o performanță puternică de absorbție a fluorului, făcându-l un material indispensabil în industria energiei atomice.
Brevet cheie: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, brevet de invenție pentru un aliaj de aluminiu, zinc, magneziu, scandiu și metoda de preparare a acestuia
Rezumat al brevetului: un zinc din aluminiualiaj de magneziu scandiusi modul de preparare al acestuia. Compoziția chimică și procentul în greutate a aliajului aluminiu zinc magneziu scandiu sunt: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, impurități Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, alte impurități singur ≤ 0,05%, alte impurități totale ≤ 0,15%, iar cantitatea rămasă este Al. Microstructura acestui material din aliaj de aluminiu, zinc, magneziu, scandiu este uniformă și performanța sa este stabilă, cu o rezistență maximă la tracțiune de peste 400 MPa, o limită de curgere de peste 350 MPa și o rezistență la tracțiune de peste 370 MPa pentru îmbinările sudate. Produsele materiale pot fi utilizate ca elemente structurale în industria aerospațială, nucleară, transporturi, articole sportive, arme și alte domenii.
Procesul de fabricație: Etapa 1, ingredient conform compoziției aliajului de mai sus; Pasul 2: Topiți în cuptorul de topire la o temperatură de 700 ℃ ~ 780 ℃; Pasul 3: Rafinați lichidul metalic complet topit și mențineți temperatura metalului în intervalul de 700 ℃ ~ 750 ℃ în timpul rafinării; Pasul 4: După rafinare, trebuie lăsat să stea nemișcat; Pasul 5: După ce ați stat complet, începeți turnarea, mențineți temperatura cuptorului în intervalul de 690 ℃ ~ 730 ℃, iar viteza de turnare este de 15-200 mm/minut; Pasul 6: Efectuați un tratament de recoacere de omogenizare pe lingoul de aliaj în cuptorul de încălzire, cu o temperatură de omogenizare de 400 ℃ ~ 470 ℃; Pasul 7: Curățați lingoul omogenizat și efectuați extrudarea la cald pentru a produce profile cu o grosime a peretelui de peste 2,0 mm. În timpul procesului de extrudare, țagla trebuie menținută la o temperatură de 350 ℃ până la 410 ℃; Pasul 8: Strângeți profilul pentru tratamentul de stingere a soluției, cu o temperatură a soluției de 460-480 ℃; Pasul 9: După 72 de ore de stingere a soluției solide, forțați manual îmbătrânirea. Sistemul manual de îmbătrânire forțată este: 90~110 ℃/24 ore+170~180 ℃/5 ore sau 90~110 ℃/24 ore+145~155 ℃/10 ore.
5、 Rezumatul cercetării
În general, pământurile rare sunt utilizate pe scară largă în fuziunea nucleară și fisiunea nucleară și au multe modele de brevet în direcții tehnice precum excitația cu raze X, formarea plasmei, reactorul de apă ușoară, transuraniul, uranilul și pulberea de oxid. În ceea ce privește materialele pentru reactoare, pământurile rare pot fi utilizate ca materiale structurale pentru reactoare și materiale de izolație ceramică aferente, materiale de control și materiale de protecție împotriva radiațiilor neutronice.
Ora postării: 26-mai-2023