Приложение на редкоземни елементи в ядрените материали

1. Определение на ядрени материали

В широк смисъл, ядрен материал е общият термин за материали, използвани изключително в ядрената промишленост и ядрените научни изследвания, включително материали за ядрено гориво и ядрено инженерство, т.е. материали за неядрено гориво.

Обикновено наричаните 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 компонентите на ядреното гориво, охлаждащи течности, неутронни модератори (модератори), материали за контролни пръти, които силно абсорбират неутроните, и отразяващи материали, които предотвратяват изтичането на неутрони извън реактора.

2. Взаимосвързана връзка между редкоземните ресурси и ядрените ресурси

Моназитът, наричан още фосфоцерит и фосфоцерит, е често срещан акцесорен минерал в магмени скали със средно киселинно съдържание и метаморфни скали. Моназитът е един от основните минерали в рудите на редкоземните метали и се среща и 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 в някои находища на редкоземни елементи от разсипен тип в Китай е монацитът, който се намира главно в Тунчен, Хубей, Юеян, Хунан, Шанжао, Дзянси, Менхай, Юнан и окръг Хе, Гуанси. Добивът на редкоземни ресурси от разсипен тип обаче често няма икономическо значение. Единичните камъни често съдържат рефлексни ториеви елементи и са и основният източник на търговски плутоний.

3. Преглед на приложението на редкоземните елементи в ядрения синтез и ядреното делене, базиран на панорамен анализ на патенти.

След като ключовите думи за търсене на редкоземни елементи 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 търсене е 24 август 2020 г. 4837 патента са получени след просто сливане на семейства, а 4673 патента са определени след изкуствено намаляване на шума.

Заявките за патенти за редкоземни елементи в областта на ядреното делене или ядрения синтез са разпределени в 56 страни/региона, концентрирани главно в Япония, Китай, Съединените щати, Германия и Русия и др. Значителен брой патенти са подадени под формата на PCT, като китайските заявки за патентни технологии се увеличават, особено от 2009 г. насам, навлизайки в етап на бърз растеж, а Япония, Съединените щати и Русия продължават да работят в тази област в продължение на много години (Фигура 1).

Фигура 1 Тенденция в заявките за технологични патенти, свързани с приложение на редкоземни елементи в ядреното делене и ядрен синтез в страни/региони

От анализа на техническите теми може да се види, че приложението на редкоземните 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 ядрените материали

Сред тях, реакциите на ядрено сливане и делене в ядрените материали са интензивни, а изискванията към материалите са строги. В момента енергийните реактори са предимно реактори за ядрено делене, а термоядрените реактори могат да станат широко популярно приложение след 50 години. Приложението нарядкоземниелементи в конструкционните материали за реактори; В специфични области на ядрената химия, редкоземните елементи се използват главно в контролните пръти; Освен товаскандийизползва се също в радиохимията и ядрената промишленост.

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

В енергийните реактори началната 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 броя на контролните пръти за компенсиране на остатъчната реактивност би довело до въвеждането на повече контролни пръти. Всеки контролен 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 капака на съда под налягане може да доведе до намаляване на структурната здравина. Това е не само неикономично, но и не е позволено да има определена порьозност и структурна здравина върху капака на съда под налягане. Без увеличаване на броя на контролните пръти обаче 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, обикновено може да се използва комбинация от горими токсини, контролни пръти и химическо компенсационно управление.

(2) Като добавка за подобряване на характеристиките на конструкционните 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 попадането на продукти от делене в охлаждащата течност.

1) .Рядкоземна стомана

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

① Пречистващ ефект: Съществуващите изследвания показват, че редкоземните елементи имат добър пречистващ ефект върху разтопената 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 отделят 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 редкоземните елементи в разтопената стомана с вредни елементи като кислород и сяра, могат частично да се задържат в разтопената стомана и да се превърнат в стоманени включвания с висока точка на топене. Тези включвания могат да се използват като хетерогенни центрове на зародиши по време на втвърдяването на разтопената стомана, като по този начин подобряват формата и структурата на стоманата.

③ Микролегиране: ако добавянето на редкоземни елементи се увеличи допълнително, останалите редкоземни елементи ще се разтворят в стоманата след завършване на горепосоченото пречистване и метаморфоза. Тъй като атомният радиус на редкоземните елементи е по-голям от този на железния атом, те имат по-висока повърхностна активност. По време на процеса на втвърдяване на разтопената стомана, редкоземните елементи се обогатяват на границата на зърната, което може по-добре да намали сегрегацията на примесни елементи на границата на зърната, като по този начин укрепва твърдия разтвор и играе ролята на микролегиране. От друга страна, поради характеристиките на съхранение на водород от редкоземните елементи, 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 нискоактивационна стомана, усилена с оксидна дисперсия, и метод за нейното получаване от Института по метали, Китайска академия на науките

Резюме на патента: Представена е нискоактивационна стомана, усилена с оксидна дисперсия, подходяща за термоядрени реактори, и метод за нейното получаване, характеризираща се с това, че процентът на легиращите елементи в общата маса на нискоактивационната стомана 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, прахообразно пулверизиране, високоенергийно топково смилане на основната сплав иY2O3 наночастицисмесен прах, екстракция с обвиващо прах покритие, формоване за втвърдяване, горещо валцуване и термична обработка.

Метод за добавяне на редкоземни елементи: Добавяне на наномащабY2O3частици към атомизирания прах от основната сплав за високоенергийно топково смилане, като топковата смилаща среда е смесени твърди стоманени топки Φ 6 и Φ 10, с топкова смилаща атмосфера от 99,99% аргонов газ, съотношение на масата на материала на топката (8-10): 1, време на топково смилане 40-70 часа и скорост на въртене 350-500 об/мин.

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

① Принцип на защитата от неутронно лъчение

Неутроните са компоненти на атомните ядра, със статична маса от 1,675 × 10⁻²⁷ kg, което е 1838 пъти електронната маса. Радиусът им е приблизително 0,8 × 10⁻¹⁰ m, подобен по размер на протон, подобно на γ лъчите, които са също толкова 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 ядрената енергетика и технологията на ядрените реактори, все повече внимание се обръща на безопасността при ядрено облъчване и защитата от ядрено облъчване. За да се засили радиационната защита на операторите, които дълго време се занимават с поддръжка на радиационно оборудване и спасяване при аварии, е от голямо научно и икономическо значение да се разработят леки екраниращи композитни материали за защитно облекло. Неутронното облъчване е най-важната част от облъчването на ядрените реактори. Обикновено повечето неутрони, които са в пряк контакт с хората, се забавят до нискоенергийни неутрони след неутронно екраниращия ефект на структурните материали вътре в ядрения реактор. Нискоенергийните неутрони ще се сблъскат еластично с ядра с по-нисък атомен номер и ще продължат да бъдат модерирани. Модерните топлинни неутрони ще бъдат абсорбирани от елементи с по-големи сечения на неутронно абсорбиране и накрая ще се постигне неутронно екраниране.

② Ключово патентно проучване

Порестите и органично-неорганичните хибридни свойстварядкоземен елементгадолинийМеталоорганичните скелетни материали на базата на полиетилен увеличават съвместимостта си с полиетилен, което води до по-високо съдържание на гадолиний и дисперсия на гадолиний в синтезираните композитни материали. Високото съдържание и дисперсия на гадолиний ще повлияят пряко върху неутронно-екраниращите свойства на композитните материали.

Ключов патент: Институт по материалознание Хефей, Китайска академия на науките, патент за изобретение на композитен защитен материал на основата на гадолиний и метод за неговото получаване

Резюме на патента: Металоорганичният скелетен композитен защитен материал на базата на гадолиний е композитен материал, образуван чрез смесванегадолинийМеталоорганичен скелетен материал на базата на гадолиний с полиетилен в тегловно съотношение 2:1:10 и оформянето му чрез изпаряване на разтворител или горещо пресоване. Композитните екраниращи материали на базата на гадолиний с металоорганичен скелет имат висока термична стабилност и способност за екраниране от топлинни неутрони.

Производствен процес: избор на различниметален гадолинийсоли и органични лиганди за приготвяне и синтезиране на различни видове металоорганични скелетни материали на базата на гадолиний, като се промиват с малки молекули метанол, етанол или вода чрез центрофугиране и се активират при висока температура във вакуумни условия, за да се отстранят напълно остатъчните нереагирали суровини в порите на металоорганичните скелетни материали на базата на гадолиний; Органометалният скелетен материал на базата на гадолиний, приготвен в стъпка 1, се разбърква с полиетиленов лосион при висока скорост или ултразвуково, или органометалният скелетен материал на базата на гадолиний, приготвен в стъпка 2, се смесва чрез стопилка с полиетилен с ултрависоко молекулно тегло при висока температура до пълно смесване; Поставя се равномерно смесената смес от металоорганичен скелетен материал на базата на гадолиний и полиетилен във формата и се получава образуваният композитен екраниращ материал на базата на гадолиний чрез сушене, за да се улесни изпаряването на разтворителя, или горещо пресоване; Приготвеният композитен екраниращ материал на базата на гадолиний има значително подобрена топлоустойчивост, механични свойства и превъзходна способност за екраниране от топлинни 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.Gd (NO3)3 • 6H2O или GdCl3 • 6H2Oи органичен карбоксилатен лиганд; Размерът на металоорганичния скелетен материал на базата на гадолиний е 50nm-2 μm; Металоорганичните скелетни материали на базата на гадолиний имат различна морфология, включително гранулирана, пръчковидна или игловидна форма.

(4) Приложение наСкандийв радиохимията и ядрената промишленост

Металният скандий има добра термична стабилност и силна абсорбция на флуор, което го прави незаменим материал в атомната енергетика.

Ключов патент: Китайски институт за аерокосмическо развитие, Пекински институт за аеронавтични материали, патент за изобретение на алуминиево-цинкова магнезиево-скандиева сплав и метод за нейното получаване

Резюме на патента: Алуминиево-цинковмагнезиево-скандиева сплави методът на получаването му. Химичният състав и тегловният процент на алуминиево-цинковата магнезиево-скандиевата 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 единични примеси ≤ 0,05%, други общо примеси ≤ 0,15%, а останалото количество е Al. Микроструктурата на този алуминиево-цинкова-магнезиева скандиева сплав е еднородна, а характеристиките му са стабилни, с максимална якост на опън над 400 MPa, граница на провлачване над 350 MPa и якост на опън над 370 MPa за заварени съединения. Материалните продукти могат да се използват като структурни елементи в аерокосмическата, ядрената промишленост, транспорта, спортните стоки, оръжията и други области.

Производствен процес: Стъпка 1, съставка съгласно горния състав на сплавта; Стъпка 2: Разтопяване в топилна пещ при температура 700 ℃~780 ℃; Стъпка 3: Рафиниране на напълно разтопената метална течност и поддържане на температурата на метала в диапазона 700 ℃~750 ℃ ​​по време на рафинирането; Стъпка 4: След рафиниране, тя трябва да се остави напълно да престои; Стъпка 5: След пълно престояване, започнете леенето, поддържайте температурата на пещта в диапазона 690 ℃~730 ℃, а скоростта на леене е 15-200 мм/минута; Стъпка 6: Извършете хомогенизиращо отгряване върху слитъка от сплав в нагревателната пещ, с температура на хомогенизиране 400 ℃~470 ℃; Стъпка 7: Обелете хомогенизирания слитък и извършете горещо екструдиране, за да получите 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 с закаляване в разтвор, с температура на разтвора от 460-480 ℃; Стъпка 9: След 72 часа закаляване в 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 разработки в технически области като рентгеново възбуждане, образуване на плазма, леководни реактори, трансуран, уранил и оксиден прах. Що се отнася до реакторните материали, редкоземните елементи могат да се използват като реакторни структурни материали и свързани с тях керамични изолационни материали, контролни материали и материали за защита от неутронно лъчение.