Прилагане на редки земни елементи в ядрени материали

1 、 Определение на ядрените материали

В широк смисъл ядреният материал е общият термин за материали, използвани изключително в ядрената индустрия и ядрените научни изследвания, включително ядрени гориви и ядрени инженерни материали, т.е. не ядрени горивни материали.

Обикновено се отнася до ядрени материали, главно се отнасят до материали, използвани в различни части на реактора, известни още като реакторни материали. Материалите на реактора включват ядрено гориво, което претърпява ядрено делене при неутронни бомбардировки, облицовъчни материали за компоненти на ядрено гориво, охлаждащи охлаждания, неутронни модератори (модератори), материали за контролни пръти, които силно абсорбират неутрони и отразяващи материали, които предотвратяват изтичането на неутрон извън реактора.

2 、 Свързана връзка между редки земни ресурси и ядрени ресурси

Моназитът, наричан още фосфоцерит и фосфоцерит, е често срещан аксесоар минерал в междинна киселина магнитна скала и метаморфна скала. Моназитът е един от основните минерали на рудната руда от редки земни метали, а също така съществува в някаква утаечна скала. Кафяво червено, жълто, понякога кафеникаво жълто, с мазен блясък, пълно разцепване, твърдост на MOHS от 5-5,5 и специфична гравитация от 4,9-5,5.

Основният руден минерал от някои отлагания от типа на плаката в Китай е моназит, разположен главно в Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan и He County, Guangxi. Извличането на типа на плаката, редки земни ресурси, често няма икономическо значение. Самотните камъни често съдържат рефлексивни ториеви елементи и също са основен източник на търговски плутоний.

3 、 Преглед на приложението на рядката земя в ядреното сливане и ядрената делене въз основа на патентен панорамна анализ

След като ключовите думи на елементите за търсене на рядкоземно търсене са напълно разширени, те се комбинират с клавишите за разширяване и класификационните номера на ядреното делене и ядреното сливане и се търсят в базата данни на IncoPT. Датата на търсене е на 24 август 2020 г. 4837 патенти са получени след простото семейно сливане, а 4673 патента са определени след намаляване на изкуствения шум.

Редкия патентни приложения в областта на ядрената делене или ядреното сливане се разпространяват в 56 страни/региони, концентрирани главно в Япония, Китай, САЩ, Германия и Русия и др. (Фигура 1).

Фигура 1 Приложение Тенденция на технологичните патенти, свързани с приложението на рядкотоземното прилагане в ядрената ядрена делене и ядреното сливане в страни/региони

От анализа на техническите теми може да се види, че прилагането на рядка земя в ядрено сливане и ядрена делене се фокусира върху горивни елементи, сцинтилатори, радиационни детектори, актиниди, плазми, ядрени реактори, екраниращи материали, абсорбция на неутрони и други технически направления.

4 、 Специфични приложения и ключови патентни изследвания на редки земни елементи в ядрени материали

Сред тях ядрените сливане и ядрените делени в ядрените материали са интензивни, а изискванията за материали са строги. Понастоящем силовите реактори са главно ядрени делени реактори и реакторите на синтез могат да бъдат популяризирани в голям мащаб след 50 години. Прилагането нарядка земяелементи в реакторните структурни материали; В специфични ядрени химически полета редките земни елементи се използват главно в контролните пръти; В допълнение,скандийИзползва се и в радиохимията и ядрената индустрия.

（1） Като горима отрова или контролен прът за регулиране на нивото на неутрон и критично състояние на ядрения реактор

При силови реактори първоначалната остатъчна реактивност на новите ядра обикновено е сравнително висока. Особено в ранните етапи на първия цикъл на зареждане, когато цялото ядрено гориво в сърцевината е ново, останалата реактивност е най -висока. В този момент разчитането единствено на увеличаване на контролните пръти за компенсиране на остатъчната реактивност би въвело повече контролни пръти. Всеки контролен прът (или сноп на пръта) съответства на въвеждането на сложен механизъм за шофиране. От една страна, това увеличава разходите, а от друга страна, отварянето на дупки в главата на съда под налягане може да доведе до намаляване на структурната якост. Не само е неикономично, но и не е позволено да има определено количество порьозност и структурна якост на главата на под налягане. Въпреки това, без да се увеличава контролните пръти, е необходимо да се увеличи концентрацията на химически компенсиращи токсини (като борава киселина), за да се компенсира останалата реактивност. В този случай е лесно концентрацията на бор да надвиши прага и температурният коефициент на модератора ще стане положителен.

За да се избегнат гореспоменатите проблеми, за контрол може да се използва комбинация от горими токсини, контролни пръти и контрол на химическите компенсации.

（2） Като допант за подобряване на работата на реакторните структурни материали

Реакторите изискват структурни компоненти и горивни елементи, за да имат определено ниво на якост, устойчивост на корозия и висока термична стабилност, като същевременно предотвратяват навлизането на продуктите на деленето в охлаждащата течност.

1) .RARE Земна стомана

Ядреният реактор има екстремни физически и химични условия и всеки компонент на реактора също има високи изисквания за използваната специална стомана. Редките земни елементи имат специални ефекти на модификация върху стоманата, включително пречистване, метаморфизъм, микро следене и подобряване на корозионната устойчивост. Редки земи, съдържащи стомани, също се използват широко в ядрените реактори.

① Ефект на пречистване: Съществуващите изследвания показват, че редките земи имат добър пречистващ ефект върху разтопената стомана при високи температури. Това е така, защото редките земи могат да реагират с вредни елементи като кислород и сяра в разтопената стомана, за да генерират високотемпературни съединения. Високотемпературните съединения могат да бъдат утаени и изхвърлени под формата на включвания преди разтопената стомана конденза, като по този начин намаляват съдържанието на примесите в разтопената стомана.

② Метаморфизъм: От друга страна, оксидите, сулфидите или оксисулфидите, генерирани от реакцията на рядка земя в разтопената стомана с вредни елементи като кислород и сяра, могат да бъдат частично задържани в разтопената стомана и да се превърнат в включвания на стомана с висока точка на топене. Тези включвания могат да бъдат използвани като хетерогенни центрове за ядрени центрове по време на втвърдяване на разтопената стомана, като по този начин подобряват формата и конструкцията на стоманата.

③ Микро слягане: Ако добавянето на рядка земя се увеличи допълнително, останалата рядка земя ще бъде разтворена в стоманата след завършване на горното пречистване и метаморфизъм. Тъй като атомният радиус на рядката земя е по -голям от този на железен атом, рядката земя има по -висока повърхностна активност. По време на процеса на втвърдяване на разтопената стомана редките земни елементи се обогатяват на границата на зърното, което може по -добре да намали сегрегацията на примесите на границата на зърното, като по този начин се засили твърдият разтвор и играе ролята на микро следи. От друга страна, поради характеристиките на съхранение на водород на редки земи, те могат да абсорбират водород в стомана, като по този начин ефективно подобряват феномена на водородното разпадане на стоманата.

④ Подобряване на устойчивостта на корозия: Добавянето на редки земни елементи също може да подобри устойчивостта на корозия на стоманата. Това е така, защото редките земи имат по -висок потенциал за самостоятелна корозия от неръждаемата стомана. Следователно, добавянето на редки земи може да увеличи потенциала на самостоятелната корозия на неръждаемата стомана, като по този начин подобри стабилността на стоманата в корозивна среда.

2). Основно патентно проучване

Ключов патент: Изобретение патент на оксидна дисперсия засилва стоманата с ниска активация и метода му за подготовка от Института за метали, Китайска академия на науките

Patent abstract: Provided is an oxide dispersion strengthened low activation steel suitable for fusion reactors and its preparation method, characterized in that the percentage of alloy elements in the total mass of the low activation steel is: the matrix is ​​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%и 0,05%≤ Y2O3 ≤ 0,5%.

Процес на производство: Fe-CR-WV-TA-MN Майка сплав, прахообразна атомизация, високоенергийно топче с топка на сплавта на майката иY2O3 наночастицаСмесен прах, извличане на прах, формоване на втвърдяване, горещо валцуване и топлинна обработка.

Метод на рядка земна добавка: Добавете наноразмерY2O3Частици към атомизиран прах от родителска сплав за смилане на топка с висока енергия, като средата на смилане на топката е φ 6 и φ 10 смесени твърди стоманени топки, с атмосфера на смилане на топката от 99,99% аргонов газ, съотношение на масата на топката на (8-10): 1, време за смилане на топката 40-70 часа и скорост на въртене 350-500 R/.

3）. Използва се за изработка на материали за защита от неутрони радиация

① Принцип на защитата на неутронната радиация

Неутроните са компоненти на атомни ядра, със статична маса 1,675 × 10-27 кг, което е 1838 пъти по-голямо от електронната маса. Радиусът му е приблизително 0,8 × 10-15 м, сходен по размер с протон, подобен на γ лъчи са еднакво незаредени. Когато неутроните взаимодействат с материята, те взаимодействат главно с ядрените сили вътре в ядрото и не взаимодействат с електроните във външната обвивка.

С бързото развитие на технологията на ядрената енергия и ядрените реактори се обръща все повече внимание на безопасността на ядрената радиация и защитата на ядрената радиация. За да се засили радиационната защита за операторите, които дълго време са участвали в поддръжка на радиационно оборудване и спасяване на злополуки, това е от голямо научно значение и икономическа стойност за разработване на леки екраниращи композити за защитно облекло. Неутронната радиация е най -важната част от радиацията на ядрения реактор. По принцип повечето неутрони в пряк контакт с човешки същества са забавени до нискоенергийни неутрони след ефекта на неутронния екраниране на структурните материали вътре в ядрения реактор. Ниските енергийни неутрони ще се сблъскат с ядра с по -нисък атомен брой еластично и ще продължат да се модерират. Умерените термични неутрони ще бъдат абсорбирани от елементи с по -големи напречни сечения на неутронното абсорбция и накрая ще се постигне неутронно екраниране.

② Основно проучване на патентите

Порестите и органичните неорганични хибридни свойства наРядки земни елементиГадолинийБазираните метални органични скелетни материали увеличават съвместимостта си с полиетилен, насърчавайки синтезираните композитни материали, за да имат по -високо съдържание на гадолиний и дисперсия на гадолиний. Високото съдържание на гадолиний и дисперсия ще повлияят пряко на неутронното екраниране на композитните материали.

Ключов патент: Хефей Институт за материало

Патент Резюме: Метален скелет на базата на гадолиний, композитен материал за екраниране е композитен материал, образуван чрез смесванеГадолинийБазиран метален органичен скелет материал с полиетилен в съотношение на теглото 2: 1: 10 и го образува чрез изпаряване на разтворител или горещо пресоване. Метални органични скелетни скелетни композитни материали на базата на гадолиний имат висока топлинна стабилност и топлинна способност за екраниране на неутрон.

Процес на производство: Избор на различниГадолиниев металСоли и органични лиганди за приготвяне и синтезиране на различни видове метални скелетни материали на основата на гадолиний, измиват ги с малки молекули метанол, етанол или вода чрез центрофугиране и активиране на висока температура при вакуумни условия, за да се отстранят напълно остатъчните неопределени суровини на суровините в портовете на гадолинийните организации на базата на гадолиний; Органометалният скелетен материал на основата на гадолиний, приготвен на стъпка, се разбърква с лосион от полиетилен при висока скорост или ултрасонично, или органометалният скелет на базата на гадолиний, приготвен на стъпка, докато се разтопи напълно с ултра-висок молекулен полиетилен при висока температура, докато напълно се смеси; Поставете равномерно смесената метална биологична скелетна материал на основата на гадолиний във формата и получете образувания метален органичен скелет на базата на гадолиний метален скелет, като изсушите, за да насърчите изпаряването на разтворителя или горещото пресоване; Приготвеният метален органичен скелет на базата на гадолиний е значително подобрен топлинен устойчивост, механични свойства и превъзходна способност за екраниране на термичен неутрон в сравнение с чисти полиетиленови материали.

Rare earth addition mode: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 or Gd (BDC) 1.5 (H2O) 2 porous crystalline coordination polymer containing gadolinium, which is obtained by coordination polymerization ofGD (NO3) 3 • 6H2O или GDCL3 • 6H2Oи органичен карбоксилатен лиганд; Размерът на металния биологичен скелет на основата на гадолиний е 50Nm-2 μm ； Metal Organic скелетни материали на основата на гадолиний имат различни морфологии, включително гранулирани, форми на пръчка или игла във формата на игла.

（4） Приложение наСкандийв радиохимията и ядрената индустрия

Скандиевият метал има добра термична стабилност и силна ефективност на абсорбция на флуор, което го прави незаменим материал в атомната енергийна индустрия.

Ключов патент: Китай за аерокосмическо развитие Пекин Институт по аеронавигационни материали, Изобретение патент за алуминиев цинков магнезиев скандий сплав и неговия метод за подготовка

Патентно резюме: Алуминиев цинкМагнезиева скандий сплави неговият метод за подготовка. 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%, а останалото количество е al. Микроструктурата на този алуминиев цинков магнезиев скандий сплав е равномерно и неговата работа е стабилна, с върховна якост на опън над 400 mpa, якост на добив над 350MPa и якост на опън над 370MPa за заварени съединения. Материалните продукти могат да се използват като структурни елементи в аерокосмическата, ядрена индустрия, транспорт, спортни стоки, оръжия и други полета.

Процес на производство: Стъпка 1, съставка съгласно горния състав на сплав; Стъпка 2: Разтопете се в пещта за топене при температура 700 ℃ ~ 780 ℃; Стъпка 3: Рафинирайте напълно разтопената метална течност и поддържайте температурата на метала в рамките на 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​по време на рафиниране; Стъпка 4: След рафиниране трябва да бъде напълно позволено да стои неподвижно; Стъпка 5: След като напълно стоите, започнете да летите, поддържайте температурата на пещта в рамките на 690 ℃ ~ 730 ℃, а скоростта на леене е 15-200 мм/минута; Стъпка 6: Извършете обработка за отгряване на хомогенизация на сплавта в отоплителната пещ, с температура на хомогенизация 400 ℃ ~ 470 ℃; Стъпка 7: Обелете хомогенизирания слит и извършете гореща екструзия, за да произвеждате профили с дебелина на стената над 2,0 мм. По време на процеса на екструдиране заготовката трябва да се поддържа при температура от 350 ℃ до 410 ℃; Стъпка 8: Стиснете профила за обработка на разтвор, с температура на разтвора 460-480 ℃; Стъпка 9: След 72 часа твърдо гасене на разтвора, ръчно принудете стареенето. Системата за ръчна сила е: 90 ~ 110 ℃/24 часа+170 ~ 180 ℃/5 часа, или 90 ~ 110 ℃/24 часа+145 ~ 155 ℃/10 часа.

5 、 Обобщение на изследванията

Като цяло, редките земи се използват широко в ядреното сливане и ядреното делене и имат много патентни оформления в такива технически посоки като рентгеново възбуждане, образуване на плазма, лек воден реактор, трансуран, уранил и оксид на прах. Що се отнася до реакторните материали, редките земи могат да се използват като реакторни структурни материали и свързани с керамични изолационни материали, контролни материали и материали за защита от неутрони радиация.