Aplicarea elementelor de pământuri rare în materialele nucleare

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 materiale care nu sunt combustibili nucleari.

Termenul „materiale nucleare” se referă în principal la materialele utilizate în diverse părți ale reactorului, cunoscute și sub denumirea de materiale de reactor. Materialele reactorului includ combustibilul nuclear care suferă fisiune nucleară sub bombardament cu neutroni, materialele de înveliș pentru componentele combustibilului nuclear, agenții de răcire, moderatorii de neutroni (moderatorii), materialele barelor de control care absorb puternic neutronii și materialele reflectorizante care previn scurgerea neutronilor în afara reactorului.

2. Relația de corelație dintre resursele de pământuri rare și resursele nucleare

Monazitul, numit și fosfocerit și fosfocerit, este un mineral accesoriu comun în rocile magmatice intermediar acide și rocile metamorfice. Monazitul este unul dintre principalele minerale din minereurile de metale de pământuri rare și există și în unele roci sedimentare. Roșu-maroniu, galben, uneori galben-maroniu, cu un luciu unsuros, clivaj complet, duritate Mohs de 5-5,5 și greutate specifică de 4,9-5,5.

Principalul mineral prezent în unele zăcăminte de pământuri rare de tip placer din China este monazita, localizată în principal în Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan și comitatul He din 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 aplicațiilor pământurilor rare în fuziunea nucleară și fisiunea nucleară, bazată pe analiza panoramică a brevetelor

După ce cuvintele cheie pentru căutarea elementelor de pământuri rare sunt complet extinse, acestea sunt combinate cu cheile de extindere și numerele de clasificare ale fisiunii nucleare și fuziunii nucleare și căutate în baza de date Incopt. Data căutării este 24 august 2020. 4837 de brevete au fost obținute după fuziunea simplă a familiilor, iar 4673 de brevete au fost determinate după reducerea artificială a zgomotului.

Cererile de brevet pentru pământuri rare în domeniul fisiunii nucleare sau fuziunii nucleare sunt distribuite în 56 de țări/regiuni, concentrate în principal în Japonia, China, Statele Unite, Germania și Rusia etc. Un număr considerabil de brevete sunt aplicate sub formă de PCT, dintre care cererile chineze de brevete tehnologice au crescut, în special din 2009, intrând într-o etapă de creștere rapidă, iar Japonia, Statele Unite și Rusia au continuat să se dezvolte în acest domeniu timp de mulți ani (Figura 1).

Figura 1 Tendința de aplicare a brevetelor tehnologice legate de aplicațiile pământurilor rare în fisiunea nucleară și fuziunea nucleară în țări/regiuni

Din analiza temelor tehnice se poate observa că aplicarea pământurilor rare în fuziunea nucleară și fisiunea nucleară se concentrează pe elemente combustibile, scintilatoare, detectoare de radiații, actinide, plasme, reactoare nucleare, materiale de ecranare, absorbția neutronilor și alte direcții tehnice.

4. Aplicații specifice și cercetări cheie în domeniul brevetelor privind elementele de pământuri rare din materialele nucleare

Printre acestea, 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 ar putea fi popularizate la scară largă după 50 de ani. Aplicarea...pământ rarelemente din materialele structurale ale reactoarelor; În domenii specifice chimiei nucleare, elementele de pământuri rare sunt utilizate în principal în barele de control; În plus,scandiua fost utilizat și în radiochimie și industria nucleară.

(1) Ca substanță combustibilă otravă sau bară de control pentru ajustarea nivelului de neutroni și a stării critice a reactorului nuclear

În reactoarele de putere, reactivitatea reziduală inițială a miezurilor noi este în general relativ ridicată. Mai ales 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 exclusivă pe creșterea numărului de bare de control pentru a compensa reactivitatea reziduală ar introduce mai multe bare de control. Fiecare bară de control (sau fascicul de bare) corespunde introducerii unui mecanism complex de acționare. Pe de o parte, acest lucru crește costurile, iar pe de altă parte, deschiderea de găuri în chiulasul vasului de presiune poate duce la o scădere a rezistenței structurale. Nu numai că este neeconomic, dar nici nu este permisă existența unei anumite porozități și rezistențe structurale pe chiulasul vasului de presiune. Cu toate acestea, fără creșterea numărului de bare de control, este necesar să se crească concentrația de toxine chimice compensatoare (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 anterior, în general, se poate utiliza o combinație de toxine combustibile, bare de control și sisteme de compensare chimică.

(2) Ca dopant pentru îmbunătățirea performanței materialelor structurale ale reactorului

Reactoarele necesită ca componentele structurale și elementele combustibile să aibă un anumit nivel de rezistență, rezistență la coroziune și stabilitate termică ridicată, împiedicând în același timp pătrunderea produselor de fisiune în agentul de răcire.

1) Oțel din 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 de pământuri 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 nocive, cum ar fi oxigenul și sulful, din oțelul topit pentru a genera compuși la temperatură înaltă. Compușii la temperatură înaltă pot fi precipitați și evacuați 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 prin reacția pământurilor rare din oțelul topit cu elemente nocive precum oxigenul și sulful pot fi parțial reținute în oțelul topit și pot deveni incluziuni de oțel cu punct de topire ridicat. Aceste incluziuni pot fi utilizate ca centre de nucleație eterogene în timpul solidificării oțelului topit, îmbunătățind astfel forma și structura oțelului.

③ Microaliere: dacă adaosul de pământuri rare este crescut în continuare, pământurile rare rămase se vor dizolva în oțel după finalizarea purificării și metamorfismului menționate mai sus. Deoarece raza atomică a pământurilor rare este mai mare decât cea a atomului de fier, pământurile rare au o activitate de suprafață mai mare. În timpul procesului de solidificare a oțelului topit, elementele de pământuri rare sunt îmbogățite la limita granulelor, ceea ce poate reduce mai bine segregarea elementelor de impuritate la limita granulelor, consolidând astfel soluția solidă și jucând rolul de microaliere. Pe de altă parte, datorită caracteristicilor de stocare a hidrogenului ale pământurilor rare, acestea pot absorbi hidrogenul din oțel, îmbunătățind astfel eficient fenomenul de fragilizare a oțelului prin hidrogen.

④ Îmbunătățirea rezistenței la coroziune: Adăugarea de elemente de pământuri rare poate îmbunătăți, de asemenea, rezistența la coroziune a oțelului. Acest lucru se datorează faptului că pământurile rare au un potențial de autocoroziune mai mare decât oțelul inoxidabil. Prin urmare, adăugarea de pământuri rare poate crește potențialul de autocoroziune al oțelului inoxidabil, îmbunătățind astfel stabilitatea oțelului în medii corozive.

2). Studiu cheie privind brevetele

Brevet cheie: brevet de invenție pentru un oțel cu activare redusă, întărit cu dispersie de oxid, și metoda sa de preparare, de la Institutul de Metale, Academia Chineză de Științe

Rezumatul brevetului: Se prezintă un oțel cu activare redusă, întărit cu dispersie de oxid, potrivit pentru reactoare de fuziune, și metoda sa de preparare, caracterizată prin aceea că procentul de elemente de aliaj din masa totală a oțelului cu activare redusă 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 la energie înaltă a aliajului mamă șiNanoparticule de 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 pulberea atomizată a aliajului de bază pentru măcinarea cu bile de înaltă energie, mediul de măcinare cu bile fiind bile de oțel dur mixte Φ 6 și Φ 10, cu o atmosferă de măcinare cu bile de 99,99% argon gazos, un raport masic al materialului bilei de (8-10): 1, un timp de măcinare cu bile de 40-70 de ore și o viteză de rotație de 350-500 r/min.

3) Folosit pentru fabricarea materialelor de protecție împotriva radiațiilor neutronice

① Principiul protecției împotriva radiațiilor neutronice

Neutronii sunt componente ale nucleelor ​​atomice, cu o masă statică de 1,675 × 10⁻²⁷ kg, adică de 1838 de ori mai mare decât masa electronică. Raza lor este de aproximativ 0,8 × 10⁻¹⁵ m, similară ca dimensiune cu un proton, similar cu razele γ. Razele sunt la fel de neîncărcate. Când neutronii interacționează cu materia, aceștia 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 au fost implicați în întreținerea echipamentelor de radiații și salvarea în caz de accidente pentru o lungă perioadă de timp, dezvoltarea de compozite ușoare de ecranare pentru îmbrăcămintea de protecție are o mare importanță științifică și valoare economică. Radiația neutronică este cea mai importantă parte a radiației reactoarelor nucleare. În general, majoritatea neutronilor care intră în contact direct cu ființele umane au fost încetiniți la neutroni de energie redusă după efectul de ecranare neutronică al materialelor structurale din interiorul reactorului nuclear. Neutronii de energie redusă se vor ciocni elastic cu nucleele cu număr atomic mai mic și vor continua să fie moderați. Neutronii termici moderați vor fi absorbiți de elemente cu secțiuni transversale de absorbție a neutronilor mai mari, iar în final se va realiza ecranarea neutronică.

② Studiu cheie privind brevetele

Proprietățile hibride poroase și organice-anorganice aleelementul pământos rargadoliniuMaterialele cu schelet metalo-organic pe bază de polietilenă își sporesc compatibilitatea cu polietilena, ceea ce promovează materialele compozite sintetizate cu un conținut și o dispersie mai mare de gadoliniu. Conținutul și dispersia ridicate de gadoliniu vor afecta direct performanța de ecranare neutronică a materialelor compozite.

Brevet cheie: Institutul de Știința Materialelor Hefei, Academia Chineză de Științe, brevet de invenție pentru un material de ecranare compozit cu structură organică pe bază de gadoliniu și metoda de preparare a acestuia

Rezumatul brevetului: Materialul de ecranare compozit cu schelet metal-organic pe bază de gadoliniu este un material compozit format prin amestecareagadoliniuMaterial compozit cu schelet metalo-organic pe bază de gadoliniu, cu polietilenă într-un raport de greutate de 2:1:10, format prin evaporarea solventului sau presare la cald. Materialele de ecranare compozite cu schelet metalo-organic pe bază de gadoliniu au o stabilitate termică ridicată și o capacitate de ecranare la neutroni termici.

Procesul de fabricație: selectarea diferitelorgadoliniu metalicsăruri și liganzi organici pentru a prepara și sintetiza diferite tipuri de materiale schelet metalo-organice pe bază de gadoliniu, spălându-le cu molecule mici de metanol, etanol sau apă prin centrifugare și activându-le la temperatură înaltă în condiții de vid pentru a îndepărta complet materiile prime reziduale nereacționate din porii materialelor schelet metalo-organice pe bază de gadoliniu; Materialul schelet organometalic pe bază de gadoliniu preparat în etapă este agitat cu loțiune de polietilenă la viteză mare sau cu ultrasunete, sau materialul schelet organometalic pe bază de gadoliniu preparat în etapă este topit cu polietilenă cu greutate moleculară ultra-mare la temperatură înaltă până la amestecarea completă; Se plasează amestecul uniform de material schelet metalo-organic pe bază de gadoliniu/polietilenă în matriță și se obține materialul de ecranare compozit schelet metalo-organic pe bază de gadoliniu format prin uscare pentru a promova evaporarea solventului sau presare la cald; Materialul de ecranare compozit schelet metalo-organic pe bază de gadoliniu preparat are o rezistență la căldură semnificativ îmbunătățită, proprietăți mecanice și o capacitate superioară de ecranare la neutroni termici în comparație cu materialele din polietilenă pure.

Mod de adiție 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, obținut prin polimerizarea de coordonare aGd (NO3) 3 • 6H2O sau GdCl3 • 6H2Oși ligand carboxilat organic; Dimensiunea materialului cu schelet metalo-organic pe bază de gadoliniu este de 50 nm-2 μm; Materialele cu schelet metalo-organic pe bază de gadoliniu au morfologii diferite, inclusiv forme granulare, în formă de tijă sau în formă de ac.

(4) AplicareaScandiuîn radiochimie și industrie nucleară

Scandiul metalic are o bună stabilitate termică și o puternică performanță de absorbție a fluorului, ceea ce îl face un material indispensabil în industria energiei atomice.

Brevet cheie: Institutul de Materiale Aeronautice din cadrul Dezvoltării Aerospațiale din China, Beijing, brevet de invenție pentru un aliaj de aluminiu, zinc, magneziu, scandiu și metoda sa de preparare

Rezumatul brevetului: Un zinc-aluminiualiaj de scandiu cu magneziuși metoda sa de preparare. Compoziția chimică și procentul în greutate al aliajului de 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 individuale ≤ 0,05%, alte impurități totale ≤ 0,15%, iar cantitatea rămasă este Al. Microstructura acestui material din aliaj de aluminiu-zinc-magneziu-scandiu este uniformă, iar performanța sa este stabilă, cu o rezistență maximă la tracțiune de peste 400 MPa, o rezistență la curgere de peste 350 MPa și o rezistență la tracțiune de peste 370 MPa pentru îmbinări sudate. Materialele produse pot fi utilizate ca elemente structurale în industria aerospațială, nucleară, transporturi, articole sportive, armament și alte domenii.

Procesul de fabricație: Pasul 1, ingredientul conform compoziției aliajului de mai sus; Pasul 2: Topirea în cuptorul de topire la o temperatură de 700 ℃ ~ 780 ℃; Pasul 3: Rafinarea lichidului metalic complet topit și menținerea temperaturii metalului în intervalul 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​în timpul rafinării; Pasul 4: După rafinare, acesta trebuie lăsat să stea complet; Pasul 5: După ce s-a odihnit complet, începeți turnarea, mențineți temperatura cuptorului în intervalul 690 ℃ ~ 730 ℃, iar viteza de turnare este de 15-200 mm/minut; Pasul 6: Efectuați tratamentul de recoacere de omogenizare pe lingoul de aliaj în cuptorul de încălzire, cu o temperatură de omogenizare de 400 ℃ ~ 470 ℃; Pasul 7: Decojiți 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: Comprimați profilul pentru tratamentul de răcire în soluție, cu o temperatură a soluției de 460-480 ℃; Pasul 9: După 72 de ore de răcire în soluție solidă, îmbătrâniți forțat manual. Sistemul de îmbătrânire forțată manuală 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 numeroase brevete în domenii tehnice precum excitația cu raze X, formarea plasmei, reactorul cu 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 izolatoare ceramice conexe, materiale de control și materiale de protecție împotriva radiațiilor neutronice.