Приложение на редкоземни елементи в ядрени материали

1、 Дефиниция на ядрени материали

В широк смисъл ядрен материал е общият термин за материали, използвани изключително в ядрената индустрия и ядрени научни изследвания, включително ядрено гориво и материали за ядрено инженерство, т.е. неядрени горивни материали.

Обикновено споменаваните ядрени материали се отнасят главно до материали, използвани в различни части на реактора, известни също като реакторни материали. Реакторните материали включват ядрено гориво, което претърпява ядрено делене при неутронно бомбардиране, облицовъчни материали за компоненти на ядрено гориво, охлаждащи течности, неутронни модератори (модератори), материали за контролни пръти, които силно абсорбират неутрони, и отразяващи материали, които предотвратяват изтичането на неутрони извън реактора.

2、 Съвместна връзка между редкоземни ресурси и ядрени ресурси

Монацитът, наричан още фосфоцерит и фосфоцерит, е често срещан спомагателен минерал в междинни киселинни магмени скали и метаморфни скали. Монацитът е един от основните минерали на руда от редкоземни метали и също така съществува в някои седиментни скали. Кафявочервен, жълт, понякога кафеникавожълт, с мазен блясък, пълно разцепване, твърдост по Моос 5-5,5 и специфично тегло 4,9-5,5.

Основният руден минерал на някои редкоземни находища в Китай е монацит, разположен главно в Тонгченг, Хубей, Юеян, Хунан, Шанграо, Дзянси, Менхай, Юнан и окръг Хе, Гуанси. Добивът на редкоземни ресурси от разсипен тип обаче често няма икономическо значение. Самотните камъни често съдържат рефлексивни ториеви елементи и също така са основният източник на търговски плутоний.

3、 Преглед на приложението на редкоземни елементи при ядрен синтез и ядрено делене въз основа на патентен панорамен анализ

След като ключовите думи на редкоземни елементи за търсене са напълно разширени, те се комбинират с ключовете за разширение и класификационните номера на ядреното делене и ядрения синтез и се търсят в базата данни Incopt. Датата на търсенето е 24 август 2020 г. 4837 патента са получени след просто семейно сливане и 4673 патента са определени след изкуствено намаляване на шума.

Заявленията за патенти за редкоземни елементи в областта на ядреното делене или ядрения синтез са разпространени в 56 държави/региони, основно концентрирани в Япония, Китай, Съединените щати, Германия и Русия и др. Значителен брой патенти се прилагат под формата на PCT , от които приложенията за китайски патентни технологии се увеличават, особено от 2009 г., навлизайки в етап на бърз растеж, а Япония, Съединените щати и Русия продължават да разполагат в тази област в продължение на много години (Фигура 1).

Фигура 1 Тенденция на прилагане на технологични патенти, свързани с приложение на редкоземни елементи при ядрен ядрен делене и ядрен синтез в държави/региони

От анализа на техническите теми може да се види, че приложението на редкоземни елементи в ядрения синтез и ядреното 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 редкоземни елементи в ядрени материали

Сред тях реакциите на ядрен синтез и ядрено делене в ядрените материали са интензивни, а изискванията за материалите са строги. Понастоящем енергийните реактори са главно реактори на ядрено делене, а термоядрените реактори могат да бъдат популяризирани в голям мащаб след 50 години. Приложението наредкоземниелементи в конструкционните материали на реактора; В специфични области на ядрената химия, редкоземните елементи се използват главно в контролните пръти; Освен товаскандийсъщо се използва в радиохимията и ядрената промишленост.

（1） Като запалима отрова или контролен прът за регулиране на нивото на неутроните и критичното състояние на ядрения реактор

В енергийните реактори първоначалната остатъчна реактивност на новите активни зони обикновено е относително висока. Особено в ранните етапи на първия цикъл на презареждане, когато цялото ядрено гориво в активната зона е ново, оставащата реактивност е най-висока. В този момент разчитането единствено на увеличаване на контролните пръти за компенсиране на остатъчната реактивност би довело до повече контролни пръти. Всеки управляващ прът (или сноп от пръти) съответства на въвеждането на сложен задвижващ механизъм. От една страна, това увеличава разходите, а от друга страна, отварянето на отвори в главата на съда под налягане може да доведе до намаляване на здравината на конструкцията. Не само че е неикономично, но също така не е позволено да има определено количество порьозност и структурна здравина на главата на съда под налягане. Въпреки това, без да се увеличават контролните пръти, е необходимо да се увеличи концентрацията на химически компенсиращи токсини (като борна киселина), за да се компенсира оставащата 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, комбинация от горими токсини, контролни пръти и контрол с химическа компенсация обикновено може да се използва за контрол.

（2） Като добавка за подобряване на производителността на структурните материали на реактора

Реакторите изискват структурните компоненти и горивните елементи да имат определено ниво на якост, устойчивост на корозия и висока термична стабилност, като същевременно предотвратяват навлизането на продукти на делене в охлаждащата течност.

1) .Редкоземна стомана

Ядреният реактор има екстремни физически и химични условия и всеки компонент на реактора също има високи изисквания към използваната специална стомана. Редкоземните елементи имат специални модификационни ефекти върху стоманата, включително основно пречистване, метаморфизъм, микролегиране и подобряване на устойчивостта на корозия. Стоманите, съдържащи редкоземни елементи, също се използват широко в ядрените реактори.

① Ефект на пречистване: Съществуващите изследвания показват, че редкоземните елементи имат добър ефект на пречистване на разтопена стомана при високи температури. Това е така, защото редкоземните елементи могат да реагират с вредни елементи като кислород и сяра в разтопената стомана, за да генерират високотемпературни съединения. Високотемпературните съединения могат да се утаят и изхвърлят под формата на включвания, преди разтопената стомана да кондензира, като по този начин се намалява съдържанието на примеси в разтопената стомана.

② Метаморфизъм: от друга страна, оксидите, сулфидите или оксисулфидите, генерирани от реакцията на редкоземни елементи в разтопената стомана с вредни елементи като кислород и сяра, могат частично да се задържат в разтопената стомана и да станат включвания на стомана с висока точка на топене . Тези включвания могат да се използват като хетерогенни нуклеационни центрове по време на втвърдяването на разтопената стомана, като по този начин се подобрява формата и структурата на стоманата.

③ Микролегиране: ако добавянето на редкоземни елементи се увеличи допълнително, оставащите редкоземни елементи ще бъдат разтворени в стоманата след приключване на горното пречистване и метаморфизъм. Тъй като атомният радиус на редката земя е по-голям от този на железния атом, редката земя има по-висока повърхностна активност. По време на процеса на втвърдяване на разтопена стомана, редкоземните елементи се обогатяват на границата на зърното, което може по-добре да намали сегрегацията на примесните елементи на границата на зърното, като по този начин укрепва твърдия разтвор и играе ролята на микросплав. От друга страна, поради характеристиките на редкоземните елементи за съхранение на водород, те могат да абсорбират водород в стоманата, като по този начин ефективно подобряват феномена на водородна крехкост на стоманата.

④ Подобряване на устойчивостта на корозия: Добавянето на редкоземни елементи може също да подобри устойчивостта на корозия на стоманата. Това е така, защото редкоземните елементи имат по-висок потенциал за самокорозия от неръждаемата стомана. Следователно добавянето на редкоземни елементи може да увеличи потенциала за самокорозия на неръждаемата стомана, като по този начин подобри стабилността на стоманата в корозивни среди.

2). Ключово патентно проучване

Ключов патент: патент за изобретение на укрепена с оксидна дисперсия ниско активирана стомана и метод за нейното получаване от Института по метали, Китайската академия на науките

Резюме на патента: Предоставена е оксидна дисперсионно подсилена стомана с ниско активиране, подходяща за термоядрени реактори и метод за нейното получаване, характеризиращ се с това, че процентното съдържание на легиращите елементи в общата маса на стоманата с ниско активиране е: матрицата е 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 %.

Производствен процес: топене на основна сплав Fe-Cr-WV-Ta-Mn, пулверизиране на прах, високоенергийно топково смилане на основната сплав иНаночастица Y2O3смесен прах, екстракция с обгръщане на прах, формоване чрез втвърдяване, горещо валцуване и термична обработка.

Метод за добавяне на редкоземни елементи: Добавете наномащабY2O3частици към основната сплав, атомизиран прах за високоенергийно топково смилане, като средата за топково смилане е Φ 6 и Φ 10 смесени топки от твърда стомана, с атмосфера на топкова мелница от 99,99% газ аргон, съотношение на масата на материала на топката от (8- 10): 1, време на топкова мелница от 40-70 часа и скорост на въртене от 350-500 r/min.

3). Използва се за производство на материали за защита от неутронно лъчение

① Принцип на защита от неутронно лъчение

Неутроните са компоненти на атомните ядра със статична маса от 1,675 × 10-27 kg, което е 1838 пъти по-голямо от електронната маса. Неговият радиус е приблизително 0,8 × 10-15 m, подобен по размер на протон, подобен на γ Лъчите са еднакво незаредени. Когато неутроните взаимодействат с материята, те основно взаимодействат с ядрените сили вътре в ядрото и не взаимодействат с електроните във външната обвивка.

С бързото развитие на ядрената енергия и технологията на ядрените реактори се обръща все повече внимание на безопасността на ядрената радиация и защитата от ядрена радиация. За да се подобри радиационната защита за операторите, които са били ангажирани в поддръжка на радиационно оборудване и спасяване при инциденти от дълго време, е от голямо научно значение и икономическа стойност да се разработят леки екраниращи композитни материали за защитно облекло. Неутронното лъчение е най-важната част от лъчението на ядрения реактор. Като цяло повечето от неутроните в пряк контакт с човешките същества са забавени до нискоенергийни неутрони след неутронно екраниращия ефект на структурните материали вътре в ядрения реактор. Неутроните с ниска енергия ще се сблъскват с ядра с по-нисък атомен номер еластично и ще продължат да бъдат умерени. Умерените топлинни неутрони ще бъдат погълнати от елементи с по-голямо напречно сечение на поглъщане на неутрони и накрая ще бъде постигнато неутронно екраниране.

② Ключово патентно проучване

Порестите и органично-неорганичните хибридни свойства наредкоземен елементгадолинийоснованите метални органични скелетни материали повишават тяхната съвместимост с полиетилен, насърчавайки синтезираните композитни материали да имат по-високо съдържание на гадолиний и гадолиниева дисперсия. Високото съдържание и дисперсия на гадолиний ще повлияят пряко на неутронното екраниране на композитните материали.

Ключов патент: Институт по материалознание на Хефей, Китайска академия на науките, патент за изобретение на основаващ се на гадолиний органичен рамков композитен екраниращ материал и метод за неговото получаване

Резюме на патента: Композитен екраниращ материал на метален органичен скелет на базата на гадолиний е композитен материал, образуван чрез смесванегадолинийметален органичен скелетен материал с полиетилен в тегловно съотношение 2:1:10 и формоването му чрез изпаряване на разтворителя или горещо пресоване. Композитните екраниращи материали с метален органичен скелет на базата на гадолиний имат висока термична стабилност и способност за екраниране на термични неутрони.

Производствен процес: избор на различниметал гадолинийсоли и органични лиганди за приготвяне и синтезиране на различни видове базирани на гадолиний метални органични скелетни материали, промиването им с малки молекули метанол, етанол или вода чрез центрофугиране и активирането им при висока температура при условия на вакуум за пълно отстраняване на остатъчните нереагирали суровини в порите на основаните на гадолиний метални органични скелетни материали; Органометалният скелетен материал на основата на гадолиний, приготвен на етап, се разбърква с полиетиленов лосион при висока скорост или ултразвуково, или органометалния скелетен материал на базата на гадолиний, получен на етап, се смесва в стопилка с полиетилен с ултрависоко молекулно тегло при висока температура до пълно смесване; Поставете равномерно смесената смес от метален органичен скелетен материал на основата на гадолиний/полиетилен във формата и получете образувания композитен екраниращ материал на основата на гадолиний метален органичен скелет чрез изсушаване за насърчаване на изпаряването на разтворителя или горещо пресоване; Приготвеният композитен екраниращ материал с метален органичен скелет на базата на гадолиний има значително подобрена устойчивост на топлина, механични свойства и превъзходна способност за екраниране на термични неутрони в сравнение с чистите полиетиленови материали.

Режим на добавяне на редкоземни елементи: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 или Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 порест кристален координационен полимер, съдържащ гадолиний, който се получава чрез координационна полимеризация наGd (NO3) 3 • 6H2O или GdCl3 • 6H2Oи органичен карбоксилатен лиганд; Размерът на основания на гадолиний метален органичен скелетен материал е 50 nm-2 μm； Металните органични скелетни материали на базата на гадолиний имат различни морфологии, включително гранулирани, пръчковидни или игловидни форми.

（4） Приложение наскандийв радиохимията и ядрената индустрия

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

Ключов патент: China Aerospace Development Beijing Institute of Aeronautical Materials, патент за изобретение за алуминиево-цинкова магнезиево-скандиева сплав и нейния метод за получаване

Резюме на патент: алуминиев цинкмагнезиево-скандиева сплави начина на приготвянето му. Химическият състав и тегловният процент на алуминиево-цинковата магнезиево-скандиева сплав са: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, примеси Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, други примеси единични ≤ 0,05%, общо други примеси ≤ 0,15%, а останалото количество е Al. Микроструктурата на този материал от алуминиево-цинкова магнезиева скандиева сплав е еднаква и нейните характеристики са стабилни, с крайна якост на опън над 400MPa, граница на провлачване над 350MPa и якост на опън над 370MPa за заварени съединения. Материалните продукти могат да се използват като структурни елементи в космическата индустрия, ядрената индустрия, транспорта, спортни стоки, оръжия и други области.

Производствен процес: Стъпка 1, съставка според горния състав на сплавта; Стъпка 2: Разтопете в пещта за топене при температура от 700 ℃ ~ 780 ℃; Стъпка 3: Рафинирайте напълно разтопената метална течност и поддържайте температурата на метала в диапазона от 700 ℃ ~ 750 ℃ ​​по време на рафинирането; Стъпка 4: След рафиниране трябва да се остави напълно да престои; Стъпка 5: След пълно изправяне започнете да леете, поддържайте температурата на пещта в диапазона от 690 ℃ ~ 730 ℃, а скоростта на леене е 15-200 mm/минута; Стъпка 6: Извършете хомогенизиращо отгряване върху слитъка от сплав в нагревателната пещ с температура на хомогенизиране от 400 ℃ ~ 470 ℃; Стъпка 7: Отлепете хомогенизирания блок и извършете горещо екструдиране, за да произведете профили с дебелина на стената над 2,0 mm. По време на процеса на екструдиране заготовката трябва да се поддържа при температура от 350 ℃ до 410 ℃; Стъпка 8: Стиснете профила за охлаждане на разтвора с температура на разтвора 460-480 ℃; Стъпка 9: След 72 часа закаляване с твърд разтвор, ръчно принудително стареене. Системата за ръчно принудително стареене е: 90~110 ℃/24 часа+170~180 ℃/5 часа, или 90~110 ℃/24 часа+145~155 ℃/10 часа.

5、 Резюме на изследването

Като цяло, редкоземните елементи се използват широко в ядрения синтез и ядреното делене и имат много патентни оформления в такива технически направления като рентгеново възбуждане, образуване на плазма, реактор с лека вода, трансуран, уранил и оксиден прах. Що се отнася до реакторните материали, редкоземните елементи могат да се използват като структурни материали за реактори и свързани с тях керамични изолационни материали, контролни материали и материали за защита от неутронно лъчение.