Ritkaföldfémek alkalmazása nukleáris anyagokban

1、 A nukleáris anyagok meghatározása

Tágabb értelemben a nukleáris anyag a kizárólag a nukleáris iparban és a nukleáris tudományos kutatásban használt anyagok általános kifejezése, beleértve a nukleáris üzemanyagot és a nukleáris mérnöki anyagokat, azaz a nem nukleáris fűtőanyagot.

Az általánosan emlegetett nukleáris anyagok főként a reaktor különböző részeiben használt anyagokat, más néven reaktoranyagokat jelentik. A reaktorok anyagai közé tartoznak a neutronbombázás során maghasadáson áteső nukleáris üzemanyagok, a nukleáris üzemanyag-komponensek burkolóanyagai, hűtőfolyadékok, neutronmoderátorok (moderátorok), a neutronokat erősen elnyelő vezérlőrúd-anyagok és a reaktoron kívüli neutronszivárgást megakadályozó fényvisszaverő anyagok.

2. Társkapcsolat a ritkaföldfém-források és a nukleáris erőforrások között

A monacit, amelyet foszfoceritnek és foszfoceritnek is neveznek, gyakori kiegészítő ásvány a köztes savas magmás kőzetekben és a metamorf kőzetekben. A monazit a ritkaföldfém-ércek egyik fő ásványa, és néhány üledékes kőzetben is előfordul. Barnásvörös, sárga, néha barnássárga, zsíros fényű, teljes hasadású, 5-5,5 Mohs-keménység, 4,9-5,5 fajsúly.

Néhány placer típusú ritkaföldfém lelőhely fő ércásványa Kínában a monacit, amely főleg Tongcheng, Hubei, Yueyang, Hunan, Shangrao, Jiangxi, Menghai, Yunnan és He megyében, Guangxiban található. A placer típusú ritkaföldfém erőforrások kitermelésének azonban gyakran nincs gazdasági jelentősége. A magányos kövek gyakran tartalmaznak reflexiós tóriumelemeket, és a kereskedelmi plutónium fő forrásai is.

3、 A ritkaföldfémek magfúzióban és maghasadásban való alkalmazásának áttekintése szabadalmi panorámaelemzés alapján

A ritkaföldfém-kereső elemek kulcsszavainak teljes kibővítése után a maghasadás és magfúzió bővítési kulcsaival és osztályozási számával kombinálva az Inkopt adatbázisban keresnek. A keresés dátuma 2020. augusztus 24. Egyszerű családegyesítéssel 4837 szabadalmat szereztek, 4673 szabadalmat pedig mesterséges zajcsökkentéssel határoztak meg.

Az atommaghasadás vagy magfúzió területén a ritkaföldfémek szabadalmi bejelentéseit 56 országban/régióban terjesztik, elsősorban Japánban, Kínában, az Egyesült Államokban, Németországban és Oroszországban stb. A szabadalmak jelentős része PCT formájában történik. , amelyek közül a kínai szabadalmi technológiai alkalmazások száma nőtt, különösen 2009 óta, gyors növekedési szakaszba lépve, és Japán, az Egyesült Államok és Oroszország hosszú évek óta folytatja az elrendezést ezen a területen (ábra 1).

1. ábra A ritkaföldfémek atommaghasadásban és magfúzióban való alkalmazásához kapcsolódó technológiai szabadalmak alkalmazási trendje országokban/régiókban

A műszaki témák elemzéséből kitűnik, hogy a ritkaföldfémek magfúzióban és maghasadásban való alkalmazása a fűtőelemekre, szcintillátorokra, sugárzásdetektorokra, aktinidákra, plazmákra, atomreaktorokra, árnyékoló anyagokra, neutronabszorpcióra és egyéb technikai irányokra fókuszál.

4, Nukleáris anyagokban található ritkaföldfém-elemek speciális alkalmazásai és kulcsfontosságú szabadalmi kutatása

Közülük a magfúziós és maghasadási reakciók a nukleáris anyagokban intenzívek, az anyagokra vonatkozó követelmények szigorúak. Jelenleg az erőművi reaktorok főként maghasadásos reaktorok, a fúziós reaktorok pedig 50 év után terjedhetnek el széles körben. Az alkalmazásaritkaföldfémelemek a reaktor szerkezeti anyagaiban; Egyes nukleáris kémiai területeken a ritkaföldfémeket főként vezérlőrudakban használják; Ezen kívülskandiuma radiokémiában és a nukleáris iparban is felhasználták.

(1) Éghető méregként vagy vezérlőrúdként a neutronszint és az atomreaktor kritikus állapotának beállításához

Az erősáramú reaktorokban az új magok kezdeti maradék reaktivitása általában viszonylag magas. Különösen az első tankolási ciklus korai szakaszában, amikor a zónában lévő összes nukleáris üzemanyag új, a maradék reaktivitás a legmagasabb. Ezen a ponton, ha pusztán a növekvő szabályozórudakra hagyatkozunk a maradék reaktivitás kompenzálására, több szabályozórudat vezetnénk be. Minden egyes vezérlőrúd (vagy rúdköteg) egy komplex hajtómechanizmus bevezetésének felel meg. Ez egyrészt növeli a költségeket, másrészt a nyomástartó edényfejben lévő furatok megnyitása a szerkezeti szilárdság csökkenéséhez vezethet. Nemcsak gazdaságtalan, de bizonyos mértékű porozitás és szerkezeti szilárdság sem megengedett a nyomástartó edényfejen. A kontrollrudak növelése nélkül azonban növelni kell a kémiai kompenzáló toxinok (például bórsav) koncentrációját a fennmaradó reaktivitás kompenzálására. Ebben az esetben könnyen előfordulhat, hogy a bórkoncentráció túllépi a küszöbértéket, és a moderátor hőmérsékleti együtthatója pozitív lesz.

A fent említett problémák elkerülése érdekében általában éghető toxinok, kontrollrudak és kémiai kompenzációs kontroll kombinációja használható a védekezésre.

(2) Adalékanyagként a reaktorszerkezeti anyagok teljesítményének javítására

A reaktorok megkövetelik, hogy a szerkezeti alkotóelemek és a fűtőelemek bizonyos szintű szilárdsággal, korrózióállósággal és magas hőstabilitással rendelkezzenek, ugyanakkor megakadályozzák a hasadási termékek bejutását a hűtőközegbe.

1) .Ritkaföldfém

Az atomreaktor extrém fizikai és kémiai feltételekkel rendelkezik, és a reaktor minden alkatrésze magas követelményeket támaszt a felhasznált speciális acéllal szemben. A ritkaföldfém elemek speciális módosító hatást fejtenek ki az acélon, elsősorban tisztítást, metamorfizmust, mikroötvözetet és a korrózióállóság javítását. A ritkaföldfémeket tartalmazó acélokat széles körben használják atomreaktorokban is.

① Tisztító hatás: A meglévő kutatások kimutatták, hogy a ritkaföldfémek jó tisztító hatást fejtenek ki az olvadt acélon magas hőmérsékleten. Ennek az az oka, hogy a ritkaföldfémek reakcióba léphetnek az olvadt acélban lévő káros elemekkel, például oxigénnel és kénnel, és magas hőmérsékletű vegyületeket hoznak létre. A magas hőmérsékletű vegyületek kicsaphatók és zárványok formájában kiüríthetők, mielőtt az olvadt acél kondenzálna, ezáltal csökkentve az olvadt acél szennyezőanyag-tartalmát.

② Metamorfizmus: másrészt az olvadt acélban lévő ritkaföldfémeknek káros elemekkel, például oxigénnel és kénnel való reakciója során keletkező oxidok, szulfidok vagy oxiszulfidok részben visszamaradhatnak az olvadt acélban, és magas olvadáspontú acél zárványaivá válhatnak. . Ezek a zárványok heterogén gócképző központként használhatók az olvadt acél megszilárdulásakor, javítva ezzel az acél alakját és szerkezetét.

③ Mikroötvözés: ha tovább növeljük a ritkaföldfém hozzáadását, a maradék ritkaföldfém feloldódik az acélban a fenti tisztítás és metamorfózis befejezése után. Mivel a ritkaföldfém atom sugara nagyobb, mint a vasatomé, a ritkaföldfémek felületi aktivitása nagyobb. Az olvadt acél megszilárdulási folyamata során a szemcsehatáron ritkaföldfém elemek dúsulnak fel, amivel jobban csökkenthető a szennyező elemek szegregációja a szemcsehatáron, ezzel erősítve a szilárd oldatot és betöltheti a mikroötvözés szerepét. Másrészt a ritkaföldfémek hidrogéntárolási jellemzőinek köszönhetően képesek az acélban lévő hidrogént elnyelni, ezáltal hatékonyan javítják az acél hidrogénridegségének jelenségét.

④ A korrózióállóság javítása: A ritkaföldfémek hozzáadása az acél korrózióállóságát is javíthatja. Ennek az az oka, hogy a ritkaföldfémeknek nagyobb az önkorróziós potenciálja, mint a rozsdamentes acélnak. Ezért a ritkaföldfémek hozzáadása növelheti a rozsdamentes acél önkorróziós potenciálját, ezáltal javítva az acél stabilitását korrozív közegben.

2). Key Patent Study

Kulcsszabadalom: a Kínai Tudományos Akadémia Fémintézetének találmányi szabadalma egy oxiddiszperzióval erősített, alacsony aktiválású acélra és előállítási módszerére

Szabadalmi kivonat: A fúziós reaktorokhoz alkalmas oxiddiszperziós erősségű alacsony aktiválású acél és annak előállítási módja, amelyre jellemző, hogy az ötvözőelemek százalékos aránya az alacsony aktiválású acél teljes tömegében: a mátrix 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 % és 0,05 % ≤ Y2O3 ≤ 0,5 %.

Gyártási folyamat: Fe-Cr-WV-Ta-Mn anyaötvözet olvasztás, porporlasztás, az anyaötvözet nagy energiájú golyós őrlése ill.Y2O3 nanorészecskekevert por, porburkoló extrakció, megszilárdító formázás, meleghengerlés és hőkezelés.

Ritkaföldfém hozzáadási módszer: Nanoméret hozzáadásaY2O3részecskék az alapötvözethez porlasztott por nagy energiájú golyós őrléshez, ahol a golyós őrlési közeg Φ 6 és Φ 10 vegyes kemény acélgolyó, golyós őrlési atmoszférája 99,99% argongáz, golyós anyag tömegaránya (8- 10): 1, golyós őrlési idő 40-70 óra, forgási sebessége 350-500 fordulat/perc.

3) Neutronsugárzás elleni védőanyagok készítésére használják

① A neutronsugárzás elleni védelem elve

A neutronok az atommagok alkotóelemei, statikus tömegük 1,675 × 10-27 kg, ami 1838-szorosa az elektrontömegnek. Sugárja hozzávetőlegesen 0,8 × 10-15 m, mérete hasonló a protonhoz, hasonló a γ-hoz. A sugarak egyformán töltetlenek. Amikor a neutronok kölcsönhatásba lépnek az anyaggal, főként az atommag belsejében lévő nukleáris erőkkel lépnek kölcsönhatásba, és nem lépnek kölcsönhatásba a külső héj elektronjaival.

Az atomenergia és az atomreaktor-technológia rohamos fejlődésével egyre nagyobb figyelem irányul a nukleáris sugárbiztonságra és a nukleáris sugárvédelemre. A sugárberendezések karbantartásával és baleset-mentéssel hosszú ideje foglalkozó kezelők sugárvédelmének erősítése érdekében nagy tudományos jelentőséggel és gazdasági értékkel bír a védőruházat könnyű árnyékoló kompozitok kifejlesztése. A neutronsugárzás az atomreaktorok sugárzásának legfontosabb része. Általában az emberrel közvetlenül érintkező neutronok nagy részét alacsony energiájú neutronokká lassították le az atomreaktorban lévő szerkezeti anyagok neutronárnyékoló hatása után. Az alacsony energiájú neutronok rugalmasan ütköznek kisebb rendszámú atommagokkal, és továbbra is mérséklődnek. A mérsékelt termikus neutronokat nagyobb neutronelnyelési keresztmetszetű elemek fogják elnyelni, és végül neutronárnyékolás valósul meg.

② Key Patent Study

A porózus és szerves-szervetlen hibrid tulajdonságaitritkaföldfém elemgadolíniumA fémalapú szerves vázanyagok növelik a polietilénnel való kompatibilitásukat, elősegítve a szintetizált kompozit anyagok magasabb gadolínium-tartalmát és gadolínium-diszperzióját. A magas gadolíniumtartalom és diszperzió közvetlenül befolyásolja a kompozit anyagok neutronárnyékolási teljesítményét.

Kulcsszabadalom: Kínai Tudományos Akadémia Hefei Anyagtudományi Intézete, gadolínium alapú szerves keret kompozit árnyékolóanyag és előállítási módja találmányi szabadalma

Szabadalmi kivonat: Gadolínium alapú fém szerves váz kompozit árnyékoló anyag egy keveréssel előállított kompozit anyaggadolíniumalapú fém szerves vázanyag polietilénnel 2:1:10 tömegarányban, és oldószer elpárologtatással vagy melegsajtolással alakítják ki. A gadolinium alapú fém szerves vázas kompozit árnyékoló anyagok magas hőstabilitással és termikus neutronárnyékoló képességgel rendelkeznek.

Gyártási folyamat: különböző kiválasztásagadolínium fémsók és szerves ligandumok különböző típusú gadolínium alapú fém szerves vázanyagok előállítására és szintetizálására, kis molekulájú metanollal, etanollal vagy vízzel történő mosása centrifugálással, és magas hőmérsékleten vákuumkörülmények között történő aktiválása a maradék elreagálatlan nyersanyagok teljes eltávolítása érdekében a gadolínium alapú fém szerves vázanyagok pórusaiban; A lépésben előállított gadolínium alapú fémorganikus vázanyagot polietilén lotionnal nagy sebességgel vagy ultrahanggal keverjük, vagy a lépésben előállított gadolínium alapú fémorganikus vázanyagot ultranagy molekulatömegű polietilénnel olvadékkeverjük magas hőmérsékleten, amíg teljesen el nem keveredik; Helyezze az egyenletesen elkevert gadolínium alapú fém szerves vázanyag/polietilén keveréket a formába, és szárítással állítsa elő a kialakított gadolínium alapú szerves fémvázas kompozit árnyékolóanyagot, hogy elősegítse az oldószer elpárolgását vagy a forró sajtolást; Az elkészített gadolínium alapú fém szerves vázas kompozit árnyékolóanyag a tiszta polietilén anyagokhoz képest jelentősen jobb hőállósággal, mechanikai tulajdonságokkal és kiváló termikus neutronárnyékoló képességgel rendelkezik.

Ritkaföldfém addíciós mód: Gd2 (BHC) (H2O) 6, Gd (BTC) (H2O) 4 vagy Gd (BDC) 1,5 (H2O) 2 porózus kristályos koordinációs polimer, amely gadolíniumot tartalmaz, amelyet koordinációs polimerizációval nyernekGd (NO3) 3 • 6H2O vagy GdCl3 • 6H2Oés szerves karboxilát ligandum; A gadolínium alapú fém szerves vázanyag mérete 50 nm-2 μm； A gadolínium alapú fém szerves vázanyagok különböző morfológiájúak, beleértve a szemcsés, rúd alakú vagy tű alakú formákat.

(4) AlkalmazásaScandiuma radiokémiában és a nukleáris iparban

A Scandium fém jó termikus stabilitással és erős fluorelnyelő képességgel rendelkezik, így az atomenergia-iparban nélkülözhetetlen anyag.

Kulcsszabadalom: Kínai Repülésfejlesztési Pekingi Repüléstechnikai Anyagok Intézete, találmányi szabadalom alumínium-cink-magnézium-szkandiumötvözetre és előállítási módszerére

Szabadalom absztrakt: Egy alumínium cinkmagnézium szkandium ötvözetés elkészítési módja. Az alumínium-cink-magnézium szkandiumötvözet kémiai összetétele és tömegszázaléka: Mg 1,0% -2,4%, Zn 3,5% -5,5%, Sc 0,04% -0,50%, Zr 0,04% -0,35%, szennyeződések Cu ≤ 0,2%, Si ≤ 0,35%, Fe ≤ 0,4%, egyéb szennyeződések egyszeri ≤ 0,05%, egyéb szennyeződések összesen ≤ 0,15%, a fennmaradó mennyiség Al. Ennek az alumínium-cink-magnézium-szkandiumötvözet anyagnak a mikroszerkezete egységes, teljesítménye pedig stabil, 400 MPa feletti szakítószilárdsággal, 350 MPa feletti folyáshatárral és 370 MPa-nál nagyobb szakítószilárdsággal hegesztett kötéseknél. Az anyagtermékek szerkezeti elemként használhatók a repülőgépiparban, a nukleáris iparban, a közlekedésben, a sportszergyártásban, a fegyvergyártásban és más területeken.

Gyártási folyamat: 1. lépés, összetevő a fenti ötvözet-összetétel szerint; 2. lépés: Olvasszuk meg az olvasztókemencében 700 ℃ ~ 780 ℃ hőmérsékleten; 3. lépés: Finomítsa a teljesen megolvadt fémfolyadékot, és a finomítás során tartsa a fém hőmérsékletét 700-750 ℃ ​​között; 4. lépés: Finomítás után hagyni kell teljesen állni; 5. lépés: Teljes állás után kezdje el az öntést, tartsa a kemence hőmérsékletét 690 ℃ ~ 730 ℃ tartományban, és az öntési sebesség 15-200 mm/perc; 6. lépés: Végezze el a homogenizálási izzítási kezelést az ötvözet tuskón a fűtőkemencében, 400 ℃ ~ 470 ℃ homogenizálási hőmérsékleten; 7. lépés: Hámozza le a homogenizált tuskót, és végezzen forró extrudálást 2,0 mm-nél nagyobb falvastagságú profilok előállításához. Az extrudálási folyamat során a tuskót 350 ℃ és 410 ℃ közötti hőmérsékleten kell tartani; 8. lépés: Nyomja össze a profilt az oldatos kioltó kezeléshez, 460-480 ℃ oldat hőmérsékleten; 9. lépés: 72 órás szilárd oldatos kioltás után manuálisan kényszerítse az öregítést. A kézi erőltetett öregítési rendszer: 90 ~ 110 ℃/24 óra + 170 ~ 180 ℃/5 óra, vagy 90 ~ 110 ℃/24 óra + 145 ~ 155 ℃/10 óra.

5. Kutatási összefoglaló

Összességében a ritkaföldfémeket széles körben használják magfúzióban és maghasadásban, és számos szabadalmi elrendezéssel rendelkeznek olyan műszaki irányokban, mint a röntgengerjesztés, plazmaképzés, könnyűvizes reaktor, transzurán, uranil és oxidpor. Ami a reaktoranyagokat illeti, a ritkaföldfémek reaktorszerkezeti anyagként és kapcsolódó kerámia szigetelőanyagként, vezérlőanyagként és neutronsugárzás elleni védőanyagként használhatók.